功能材料与器件学 Vol.23.No. JOURNAL OF FUNCTIONAL MATERIALS AND DEVICES Jn,2017 文章编号：1007-4252(2017)06-0001-083 左手材料的研究与应用 张士卫 (中国空空导弹研究院，河南洛阳471009) 摘要：本文从左手材料的慨述、研究现状和应用几方面对左手材料的研究与应用进展进行了综述， 香望对左手材料有一个比较全面的了解 关键词：左手材料：研究现状：应用：进展 中图分类号：TB31 文献标识码：A 0前言 杂志将左手材料评为当年十大科技进展之一。 新型的“左手材料(lei-handed materlal)“在固 ,个里程碑性的工作是2000年美国加州大学 体物理，材料科学、光学和电磁学等领域已获得越来 圣迭戈分校的Smih等人首次实现了左手材料，并 越多的关注。所滑“左手材料”是指介电常数￡，蕊 提出了利用左手材料制作完美透箱的理论.2003年 导率μ都为负值的材料也称为“双负介质（材 美国Parazzoli等人及Houck等人分别对左手材料进 料)”或者“负折射系数材料(negative refractive ma 行了一系列实验研究，所得样品实验数据与模拟计 ia1)”。这类材料自2000年在实验室出理之后 算数据恰好吻合，清晰而显著地展示出负折射现象： 引起了人们的广泛兴趣。“左手材料”具有一些独 且与在不同人射角下测量的负折射率一致，完全符 特的电磁学性质，如逆多普勒效应，反古斯汉森位 合S川定律随后，左手材料的研究成为国际电酸 移、逆切伦科夫细射和超级透镜等，具有重要的应用 学界一个引人注目的前沿领域，引起了众多学者的 价值。“左手材料”可应用于高定向性天线，激光、聚 关注 焦微波波束、电磁波隐身、微波平板聚焦透镜、带通 滤波器提合器宽带相移器等研究。随着科学技术 2左手材料的研究现状 的不断发展“左手材料”也将广泛地应用到无线通 左手材料(Lei-handed metamaterials,LHMs)是 信系统之中。 一种介电常数和磁导率同时为负的人工复合结构材 料，最早是由前苏联科学家Velago V G在20世纪 1左手材料概述 60年代从理论上提出的。20世纪90年代英国自 “左手材料”，是具有奇异特性和重要应用前景 家学院John Pendry从研究结构材料的角度出发，先 的新型信息功能人造材料，由于其奇特物理特性，可 后发表论文指出金属细线结构和开口谐振环结构分 实现常规材料所不能实现的功能，对光波、电慰波等 别在电等离子频率和磁等离子類率下时电参数、 相关科技和应用将产生重要影响。俄罗斯物理学家 会表现出负值，这为HM的实现提供了基础。美国 1964年首次从理论上提出摄念2000年美国研制出 加州大学Smith D R等人将这两种结构结合起来 工作在微波波段的左手材料。2003年美国（科学 使材料的介电常数和磁导率在某个频率范围内同时 搞日期.2017-01-10： 修订日期.2017-01-25 作者简介：张士卫(1970)，男，辽宁海城人，研究员，研究方向结构设计与新材料 1994-2018 China Academic Joural Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.enki.ne
第 ２３ 卷第 １ 期 ２０ １ ７ 年 ６ 月 功能材料与 器件学报 Ｊ Ｏ ＵＲＮ ＡＬ Ｏ Ｆ Ｆ ＵＮＣ ＴＩ Ｏ ＮＡＬ Ｍ ＡＴＥ ＲＩ ＡＬＳ ＡＮＤ Ｄ ＥＶＩ Ｃ ＥＳ Ｖｏ ｌ ． ２３ ， Ｎ ｏ ． １ Ｊｕ ｎ， ２ ０ １ ７ 文章 编号 ： ｌ 〇〇７ － ４２ ５ ２ （ ２ ０ １ ７ ） ０ ６ － ００（Ｈ － ０８ ３ 左 手 材 料 的 研 究与 应 用 张 士 卫 （ 中 国 空 空 导 弹 研 究 院 ， 河 南 洛 阳 ４７ １ ０ ０９ ） 摘要 ： 本 文 从 左 手 材料 的 概 述 、 研 究 现 状 和 应 用 几 方 面 对左 手 材 料 的 研 究 与 应 用 进 展 进 行 了 综 述 ， 希 望 对 左 手 材 料 有 一 个 比 较 全 面 的 了 解 。 关键 词 ： 左 手 材料 ； 研 究 现状 ； 应 用 ； 进 展 中 图 分 类号 ： ＴＢ ３ １ 文献 标识 码 ： Ａ 〇 前言 新型 的 “ 左 手材 料 （ ｌ ｅｆｔ － ｈａ ｎｄｅ ｄ ｍａ ｔ ｅｒ ｉ ａ ｌ ） ” 在 固 体物 理 、 材料科学 、 光学 和 电 磁学等领域 已 获得越 来 越多 的 关注 。 所谓 “ 左手材料 ” 是 指 介 电 常 数 ｓ 、 磁 导率 Ｐ 都 为 负 值 的 材 料 也 称 为 “ 双 负 介 质 （ 材 料 ） ” 或 者 “ 负 折射系 数材料 （ ｎｅ ｇ ａｔ ｉ ｖｅ ｒｅ ｆｒａ ｃｔ ｉ ｖ ｅ ｍ ａ ？ ｔｅ ｒ ｉａ ｌ ） ” 。 这类材料 自 ２ ０００ 年在 实 验室 出 现 之后 ， 引 起 了人们 的 广 泛 兴趣。 “ 左手材料 ” 具 有 一 些 独 特的 电磁学性质 ， 如 逆 多 普勒 效应 、 反 古斯 汉 森位 移 、 逆切 伦科夫辐射和超级透镜等 ， 具有 重要 的 应用 价值 。 “ 左手材料 ” 可应用 于高定 向性天线 、 激光 、 聚 焦微波波 束 、 电 磁波 隐 身 、 微波平板 聚焦 透镜 、 带通 滤波 器 、 耦合器 、 宽 带相移器 等研究 。 随着科学技 术 的不 断发 展 “ 左手材料 ” 也 将广 泛 地应用 到无线 通 信系 统之 中 。 １ 左手材料概述 “ 左手材料 ” ， 是 具有 奇异 特性 和重 要 应用 前景 的 新型信息功 能人造材 料 ， 由 于其奇特物理特性 ， 可 实现 常规 材料所不 能实 现 的 功能 ， 对光波 、 电 磁波等 相关科技 和应用将产生 重要 影响 。 俄罗 斯物理学家 １ ９６４ 年首 次从理论上提 出概念 ， ２００ ０ 年 美 国 研制 出 工作在微波 波段 的 左手材料 。 ２００３ 年 美 国 《 科学》 杂志将左手材料 评为 当 年 十大科技 进展之一 。 一 个里 程碑性的 工作 是 ２ ０００ 年 美 国 加 州 大学 圣迭戈 分校 的 Ｓ ｍｉ ｔ ｈ 等人 首 次实 现 了 左手材 料 ， 并 提 出 了 利用 左手材料 制作完 美透镜 的 理论 ． ２０ ０３ 年 美 国 Ｐ ａｒ ａｚ ｚ ｏｌ ｉ 等人及 Ｈｏｕｃ ｋ 等人分别对左手材料进 行 了 一 系 列 实验研究 ， 所得样 品 实验数据与模 拟计 算 数据恰好吻 合 ， 清 晰而显 著地 展示 出负 折射现象 ； 且与在 不 同 人射角 下测 量 的 负 折射率一 致 ， 完 全符 合 Ｓ ｎｅｌ ｌ 定律 ． 随 后 ， 左手材料 的 研究 成为 国 际 电 磁 学界一 个引 人注 目 的 前沿领域 ， 引 起 了 众多 学者 的 关注 ． ［ １ １ ２ 左手材料的研究现状 左手材 料 （ Ｌ ｅｆｔ － ｈａｎ ｄｅｄ ｍ ｅｔ ａ ｍａｔ ｅ ｒｉａ ｌ ｓ ， ＬＨＭ ｓ ） 是 一 种介电 常 数 和磁导 率同 时为 负 的 人工复合结构材 料 ， 最早 是 由 前苏 联科学 家 Ｖｅ ｌａ ｇ ｏ Ｖ Ｇ 在 ２０ 世 纪 ６ ０ 年 代从理论上 提 出 的 。 ２ ０ 世纪 ９ ０ 年 代 ， 英 国 皇 家学 院 Ｊｏ ｈｎ Ｐｅ ｎｄｒ ｙ 从研究结构材料 的 角 度 出 发 ， 先 后 发表论文 指 出 金属 细线 结构 和开 口 谐振环结构分 别在 电 等离 子频 率和磁等 离子频率下时 电 参数 ＜ ３ ＋ 会表现 出负 值 ， 这 为 Ｌ ＨＭ 的 实现提 供了 基础 。 美 国 加 州 大 学 Ｓ ｍｉ ｔ ｈ Ｄ Ｒ 等 人将这 两 种 结构 结合起来 ， 使材料 的 介 电常 数和磁导 率在某个频率范 围 内 同 时 收稿 日 期 ： ２０ １ ７ － ０ １ － １ ０ ； 修 订 日 期 ： ２０ １ ７ － ０ １ － ２５ 作者简介 ： 张 士卫 （ １ ９７ ０＿ ） ， 男 ， 辽宁 海城人 ， 研究 员 ， 研究方 向 结构设计与 新材料
1期 张士卫：左手材料的研究与应用 出现负值，LHM就这样产生了 目前，国际上关于LHMs的研究己经向多方向 2001年美国加州大学制成一种断型异性材料 发展，主要包括对现有左手材料物理特性的进一步 并规察到其反常折封定律引起学界关注：2003年 开发新的人工结构设计概念的提出以及红外和可 美国麻省理工大学实验证明了这种异性材料的可制 见光波段左手材料的研究等 引起学界业界和军方的高度重视：2003年美国 《科学》杂志将这种奇异材料的研制纳入年度十大 3 左手材料的应用 科学进展。这是科学界谓之的一种颠倒了物理学常 左手材料是一个全新的前沿领域基干其奇特 规定律的“左手材料”，它在固体物理、材料科学光 的反常电磁波特性，在无线通讯领域将有很大的应 学和应用电磁学领域内开始获得愈来愈广泛的青 用前量可用作延迟线耦合器天线收发转换开关 藤，其研究正呈现迅速发展之势，其反常特性则预示 固态天线微型反响天线平板聚焦透锫带调滤被 着材料世界前所未有的革命性时刻的到来。2006 器，光导航，超敏感传感器，医学诊断成像等。特别 年Duck大学的科学家们提出利用左手材料可以制 是比在天线上的应用很有吸引力 作·隐形斗篷”，被“Science”杂点评为2006年度世 Metamaterials具有很多可能的应用。包括远太 界十大科技家被之 目前左手材料口成为全世 空、传感探测和超结构监示、Sa太阳能处理、公 科学技术领域所关注的热点之 共安全、高频战地通讯和高增益天线、优质超声传感 美国科学家最近利用制造计算机芯片的普通半 以及地霉屏蓝结构等 导体材料，成功开 发出 种新型左手“超材料 近年来，左手材料的研究加速了其在微波器件 (netamaterial),它具有负的折射率，能够让光线向 和天线等领域的应用在无线通讯领域将有很大的 与通常相反的方向发生信析，这一研究成果对高速 应用前景。利用左手材料的导波特性和辐射波特 通讯，医学诊断等领域有重要影响。 性，新型微波器件如微波平板聚焦透镜，合器、移 左手材料的研究已引起我国有关科学界的关 相器谐振器等及新型后向辐射天线零阶谐振器天 注。除上海科学家以外，香港科技大学、中科院物理 线等都取得了长足发展。利用左手材料对电磁波波 研究所，南京大学，北京大学、，西北工业大学等单位 束汇聚的特点，可以减小天线的半波瓣宽度，大幅改 均有科学家涉足这一领域的研究。 善天线的方向性提高天线辐射增盗。同时，微波频 据科学网报道，西北工业大学理学院应用物理 段的左手材料有利于天线共面、集成一体化，随者日 系教授赵晓鹏研究组在红外波段左手材料制各方面 后对通信定向性和隐蔽性需求的提高，高方向性 的研究日前取得新进展，其研究成果发表于2008年 线将且有广一阔的应用前景。另外，在天线中引人负 6月出版的（先进材料）(Advanced Materials)上 介电常数的材料，可以弥补电小天线效率低的不足 近日，由西安交通大学理学院介观物理实验帝 以实现高效且高带宽的电小天线。复合左右手材料 宋晓平教授和信学院申子材料所徐卓教授牵头组 的高增益漏波天线也取得了一定的研究成果，在传 建的“左手材料”研究组，成功研制出具有左手特性 输线的单元结构中由无源CRLH据波部分与放大 的周期性结构材料。3 器相互连接重新组成 一种在辐射过程中逐步增大 人们在对左手材料特性继续进行理论分析研究 功率泄漏的结构，从而提高天线的有效口径进而提 的同时也在探讨它的应用前景。比如说左手材料的 高比增治 反常Cerenkov辐射可能有助于探测高能带电粒子 反常多普勒频移可能研制出体积更小，价格更低廉 3.1左手材料在天线上的应用 的无损探伤设备。左手材料制作的透镜不会丢失信 左手材料作为一种应用材料为天线微波领 息，会将所有的光场句括哀逝场在内，完全复制到 域提供更多的技术选择。IHM具有介电常数与 像点，能量无损耗，这样可以突破光学分率极限 磁导率μ同时为负值的电磁特性，这与自然界中的 故也称之为理想透镜。 大多数材料有着直接的差异。电磁波在该介质中传 1994-2018 China Academic lournal Flect s reserved www enki net
张士卫 ： 左手材料的 研究与 应用 ６ ９ １ 期 出现 负 值 ， Ｌ ＨＭ 就这样产 生 了 。 ２０ ０ １ 年 美 国 加 州 大 学 制 成一 种 新型 异 性材料 并观察到 其反 常 折射定 律 ， 引 起学 界关 注 ； ２００３ 年 美 国 麻省 理工大学 实验证 明 了这种 异性材料的 可制 造 ， 引 起学界 、 业界和军方的 高度 重 视； ２ ００３ 年 美 国 《 科学》 杂 志 将这种 奇 异 材料 的 研制 纳人 年 度 十 大 科学 进展 。 这是科学界谓 之的 一 种 颠倒 了 物理学常 规定 律的 “ 左手材 料 ” ， 它 在 固 体物 理 、 材 料 科学 光 学 和应用 电 磁学 领域 内 开 始 获 得愈 来愈 广 泛 的 青 睐 ， 其研究正呈 现 迅速发 展 之势 ， 其反 常特性则 预示 着材料 世界前所 未有 的 革 命性 时 刻 的 到 来 。 ２ ００６ 年 Ｄｕ ｃｋ 大 学 的 科学 家们 提 出 利 用 左手材 料可 以 制 作 “ 隐形斗 篷 ” ， 被 “ Ｓ ｃｉ ｅ ｎｃ ｅ ” 杂 志评 为 ２００６ 年 度 世 界十大科技 突破之一 。 目 前左手材料 已 成 为全世界 科学 技术领域所关注 的 热点 之一 。 ： ２ ］ 美 国 科学家最近利用 制 造计算 机 芯片 的 普通半 导体 材 料 ， 成 功 开 发 出 一 种 新 型 左 手 “ 超 材 料 ” （ ｍｅ ｔ ａｍ ａｔ ｅｒ ｉ ａｌ ） ， 它 具有 负 的 折射率 ， 能 够让 光 线 向 与通 常相 反 的方 向 发生偏 折 。 这一 研究成果 对高速 通讯 、 医 学诊断等领域有 重要 影 响 。 左手材料 的 研究 已 引 起 我 国 有 关科 学 界 的 关 注 。 除上 海科学家 以外 ， 香港科技 大学 、 中科院 物理 研究所 、 南京大学 、 北 京大 学 、 西 北 工业大 学等 单位 均有 科学 家涉 足这一 领域 的 研究。 据科学 网 报 道 ， 西北 工业大 学理学 院应用 物理 系 教授赵 晓鹏研究组 在 红外 波段左手材料制 备方 面 的研究 日 前取得新进展 ， 其研究 成果 发表于 ２００８ 年 ６ 月 出 版的 《 先进材料》 （ Ａｄｖ ａｎｃ ｅｄ Ｍ ａｔ ｅｒ ｉａ ｌ ｓ ） 上。 近 日 ， 由 西 安 交通 大学理学 院介 观物 理实验室 宋晓平教 授和电 信学 院电 子 材料所徐卓 教授牵 头组 建的 “ 左手材料 ” 研究组 ， 成 功研制 出 具有 左手特性 的周 期性结构 材料 。 ： ３ ］ 人们 在对左手材料特性继续进行理论分析研究 的 同 时也 在探讨它 的 应用 前景 。 比 如说左手材 料 的 反常 Ｃｅｒ ｅｎ ｋｏｖ 辐 射可能 有 助于 探测 高 能带 电 粒子 ， 反常 多普勒频移可 能 研制 出体 积更小 、 价 格更低廉 的无 损探伤设备 。 左手材料 制作 的 透镜不会丢失 信 息 ， 会将所有 的 光场 ， 包括 衰逝 场在 内 ， 完 全复 制 到 像点 ， 能量无损 耗 ， 这样 可 以 突 破光学 分辨率极限 ， 故也 称之为理想 透镜 。 目 前 ， 国 际 上关于 Ｌ ＨＭｓ 的 研究 已 经 向 多方 向 发展 ， 主要包括对现 有 左手材料 物理特性 的 进一 步 开发 、 新 的人工结构 设计概念的 提 出 以 及红 外 和 可 见光波 段左手材料 的 研究等。 ３ 左手材料的应用 左手材 料是 一 个全新 的 前沿领域 ， 基 于 其奇特 的 反常 电磁波特性 ， 在 无 线 通讯领域将有 很大 的 应 用 前景 ， 可用 作延迟线 、 耦合器 、 天线 收发 转换开关 、 固 态天 线 、 微型反 响 天 线 、 平板聚 焦 透镜 、 带通滤 波 器 、 光导 航 、 超敏感 传感器 、 医 学诊断成 像等。 特别 是其在 天线 上的 应用 很有 吸 引力 。 Ｍ ｅ ｔ ａｍ ａｔ ｅｒ ｉ ａｌ ｓ 具有 很多可 能 的 应用 。 包括远 太 空 、 传感探测 和 超结构 监 示 、 Ｓ ｍ ａｒ ｔ 太 阳 能 处理 、 公 共安全 、 高频战地 通讯和高 增益 天线 、 优质超声传感 以 及地 震屏 蔽结构等 。 近 年来 ， 左手材料 的 研究加 速 了其在 微波 器件 和天线 等领域的 应 用 ， 在 无 线通 讯领域将有 很大 的 应 用前景 。 利 用 左 手材 料 的 导 波 特性 和 辐 射波 特 性 ， 新型微波器件 如 微波 平板聚 焦 透镜 、 耦合器 、 移 相器 、 谐振器 等及新型后 向 辐射天线 、 零阶谐振器 天 线 等都取得 了长 足发 展 。 利用左手材料对 电磁波 波 束汇聚的 特点 ， 可 以 减小天 线 的 半波瓣宽 度 ， 大幅改 善 天线 的 方 向性 ， 提高天线 辐射增 益 。 同 时 ， 微波频 段的 左手材 料有 利于 天线 共面 、 集成 一 体化 ， 随着 日 后 对通 信定 向性和 隐 蔽性需 求 的 提高 ， 高 方 向性 天 线 将具有广 阔 的 应 用 前景 。 另 外 ， 在 天 线 中 引 入 负 介 电常 数的 材料 ， 可 以 弥补 电小 天线 效率低的 不 足 ， 以 实现 高效且高 带宽 的 电 小天线 。 复合左右 手材料 的 高增益漏波天 线 也取得 了 一 定 的 研究 成果 ， 在传 输线 的 单元结构 中 ， 由 无 源 ＣＲＬ Ｈ 漏波 部分与放 大 器相互连接． 重 新组 成 一 种 在 辐 射过程 中 逐步增 大 功率泄漏的 结构 ， 从而 提 高 天线 的 有 效 口 径进而提 高其增益 。 ３ ． １ 左 手材 料在天 线上 的 应用 左手材 料作为 一 种应 用 材 料 ， 可 为天 线 微波领 域提供更 多 的 技 术选择 。 ＬＨ Ｍ 具有 介 电 常 数 ￡ 与 磁导率 ＾ 同 时为 负 值的 电 磁特性 ， 这 与 自 然 界 中 的 大多数材料 有着 直接的 差 异 。 电 磁波在该介 质 中传
70 功能材料与器件学报 21卷 播时，电场强度，磁场强度与传播矢量三者遵循左手 辐射无法避免而新型的左手材料，通过人造结构来 螺旋定则，因此存在负折射效应、逆多普勒效应、逆 控制电磁波传播方向，用它制成定向天线，可以智能 切仑科夫辐射和理想透镜等多种奇特物理现象 寻找附近的电信信号发射基站，专向基站方向发射 左手材料在天线微波领域内的应用已越来越 信号，并通过相关技术阻止信号向人脑方向的传播 泛，如在平面波导中部分填充左手材料从而形成超 可避免电磁波对手机使用者造成辐射因此，左手材 级波导，这种超级波导中传输的能量比普通波导中 料定向功能为制造新一代手机天线创造了条件第 能够传输的能量要大出许多，利用有限尺寸的左手 四代，第五代移动通讯技术对于智能化天线提出 材料可将能量限制在·个小的范用内.其有望在窄 极高要求，但现有手机天线无法实现定向寻找等智 带滤波器的设计中得到应用 能化功能基于左手材料的单个小天线，可实现高方 左手材料在天线领域中的应用：左手材料作为 向性或者波束扫描，轻松达到定向目的，还能大大紧 天线覆层和左手材料作为天线基板。左手材料是 低能凭目前，国际通讯产业界等都在加紧研制左手 个全新的前沿领域，基于其奇特的反常电磁波特性 材料，借以开发未来微波通讯器件。列 在无线通讯领域将有很大的应用前景，特别是在天 线的应用上。由于空间通信与微波（射频）武器等 3.3 左手材料在隐身技术的应用 领或，对天线的要求日益提高，例如，通信的保密村 目前各国的“隐身技术“主要是使用各种吸波 高效性要求天线具有高定向性：机动性、移动性和易 透波材料，实现对雷达的“隐形 。采用红外遮挡与 携带性要求天线具有低重量：为了降低对发射系统 衰减装置、涂敷材料等，以降低红外辐射强度，实现 的要求，天线要具有高增益。利用左手材料奇异的 对红外探测器的隐身：在可见光隐形方面，只是靠涂 电磁特性可以使天线的方向性审好辐射增姿事 抹迷彩或歪曲兵器的外形等初级的方法。 不发光 大。同时，由于左手材料可以通过电路板印制的方 质之所以可见，就是因为它反射和散射了光线。“左 式实现，有利于天线共面，集成一体化，因此左手材 手材料”制造的兵器可以将光线或雷达波反向散射 料在天线领城的应用将对通信和武器的发展起到巨 出去，使得从正面接收不到反射的光线或微波 大的推动作用。 美国科学家Nader engheta提出利用二维平面 相比于普通微带天线，左手材料天线的带宽增 左手材料在某些频段会出现高阻抗的特性，通过在 加，缩小了微带天线的尺寸，匹配性能得到改善，前 高阻抗表面载入电阻，使整个表而呈现纯阻性的表 向辐射增强，侧向辐射大大削诚，使得天线的效率和 面阻抗这种结阁对电磁被有很好的吸收效果可用 方间性得到改善。是高定向性和高增益天线。“左 用作雷达波吸波材料，应用在需要电磁隐身的飞机 手材料”可用于制造裙波天线进行向后扫描.弥补 车腹上 了传统的天线在波束扫描上的缺陷。 完美的隐身衣应该是既不反射也不吸收申 波，而是让电磁波转弯，绕着物体走，这样物体就院 32左手材料在手机上的应用 身了。这就像小溪里的流水，经过一块石头时，溪流 众说纷纭的手机辐射问题，有望在两三年后得 会绕过石头后再合拢，继续向前，就像没有遇到过石 到解决。同济大学物理实验室近日制造出新型“左 一样。 手材料”可让手机天线只对信号基站定向发射信 据了解目前专家们设计出具有独特环形结构 号，而不对人脑方向发射，从而避免电磁波对人体的 具有“颠覆”意义的、人工合成的“左手材料”，能够 辐射。据悉，这项技术还可以实现第四代、第五代手 改变光线的折射率。左手材料通过合理的设计，光 机天线智能化。 的折射率可以人为控制，这也使得隐形的愿望可期、 手机缅射之所以可能对人体产生影响，是因为 当然要找到完美的“左手材料设计思路，是件相当 目前市场上应用的手机天线，都是全方向发射信号 困难的事情。 向基站发射信号的同时也向人发射电磁波，对人的 “隐形斗篷”是左手材料又一个新的重要应用。 994-2018 China Academie Joural Electronie Publishing House All rights reserved. http://www.cnki.ne
７ ０ 功能材料与 器件学报 ２ １ 卷 播时 ， 电 场强度 、 磁场强度 与 传播矢 量三者遵 循左手 螺旋定则 ， 因 此存在 负 折射效应 、 逆多 普勒 效应 、 逆 切仑科夫 辐射和理想透镜等多种奇特物理现象。 左手材料 在天 线微波领域内 的 应用 已越 来越 广 泛 ， 如在平面 波导 中部分填 充左手材料从 而形 成 超 级波 导 ， 这种超级波 导 中 传输的 能 量 比普通 波 导 中 能够传输的 能量要 大 出 许多 ， 利 用 有 限尺 寸 的 左手 材料 可将能量限制 在 一 个小的 范 围 内 ， 其有 望在 窄 带滤 波器 的 设计 中 得到 应用 。 左手材料 在 天线 领域中 的 应用 ： 左手材料作 为 天线 覆层和左手材料作为天 线基板 。 左手材料 是一 个全新的 前沿 领域 ， 基于 其奇 特的 反 常 电磁波特性 ， 在无线通 讯领域将有 很大 的 应用 前景 ， 特 别是 在 天 线 的 应用 上 。 由 于 空 间 通 信与 微波 （ 射频 ） 武 器 等 领域 ， 对 天线 的 要求 日 益 提高 ， 例 如 ， 通 信的 保密 性 、 高效性要 求天 线具有高定 向 性； 机动性 、 移动性和易 携带性要 求天 线具有 低重 量 ； 为 了 降低对 发射系 统 的要求 ， 天线要 具有 高 増 益 。 利 用 左手材 料奇异 的 电磁特性 ， 可 以 使 天 线 的 方 向 性 更 好 ， 辐射 增 益 更 大 。 同时 ， 由 于左手材料 可 以 通 过 电路板 印 制 的 方 式实 现 ， 有 利 于天 线 共面 、 集 成一 体化 ， 因 此左手材 料在 天线 领域的 应用将对通 信和 武器 的 发 展起到 巨 大 的 推动 作用 。 相 比 于普通微带天线 ， 左手材料天线 的 带宽 增 加 ， 缩小了 微带天 线 的 尺寸 ， 匹 配性能 得到 改善 ， 前 向辐射增 强 ， 侧 向辐射大 大 削 减 ， 使得天线 的 效率和 方向 性得到 改善。 是 高定 向 性和 高增益 天 线 。 “ 左 手材料 ” 可 用 于制 造 漏波 天 线 ， 进行 向 后 扫 描． 弥 补 了传统的 天线 在波 束扫 描上的 缺陷 。 ４ １ ３ ． ２ 左手 材料 在手 机上 的 应 用 众说纷纭 的 手机辐射问 题 ， 有 望 在 两 三 年后 得 到 解 决。 同济 大学 物 理实 验室 近 日 制 造 出 新型 “ 左 手材料 ” ， 可 让手机 天 线 只 对信号 基 站定 向 发 射信 号 ， 而不对人脑方向 发射 ， 从而避免 电磁波对人体 的 辐射 。 据 悉 ， 这项技 术还 可 以 实现 第四 代 、 第五代 手 机天 线智 能化。 手机 辐 射之所 以 可 能对人体产生影 响 ， 是 因 为 目 前市场 上应用 的 手机 天线 ， 都是 全方 向发 射信号 ， 向 基 站发 射信号 的 同 时 也 向人 发射 电 磁波 ， 对人 的 辐射无法避免． 而新型的 左手材料 ， 通 过人 造结构来 控制 电 磁波 传播方向 ， 用它 制成 定 向 天线 ， 可 以 智 能 寻找 附近 的 电信信号发射基 站 ， 专 向 基 站 方 向 发射 信号 ， 并通过相关技术阻止 信号 向人脑方 向 的 传播 ， 可避免 电磁波对手机 使用 者造成 辐射． 因 此 ， 左手材 料定 向 功能 为制 造 新一 代 手机 天 线 创 造 了 条件． 第 四 代 、 第五代移动 通 讯技 术对于 智 能 化天 线 提 出 了 极高要 求 ， 但现有 手机 天 线 无法 实现 定 向 寻 找 等智 能化功 能 ． 基于左手材料 的 单个小天 线 ， 可 实现 高方 向 性或 者波 束扫 描 ， 轻松达到定 向 目 的 ， 还 能 大大 降 低 能耗 ． 目 前 ， 国 际通讯产业界等都在 加 紧研制 左手 材料 ， 借 以 开发 未来微波通 讯器 件。 ５ １ ３ ． ３ 左 手材 料在隐 身技术 的 应 用 目 前各 国 的 “ 隐身技 术 ” 主要 是使用 各种吸 波 ， 透波材料 ， 实现对雷达 的 “ 隐形 ” 。 采用 红 外 遮 挡 与 衰减装 置 、 涂敷材 料等 ， 以 降低红 外 辐射强 度 ， 实 现 对红外 探测 器的 隐身 ； 在可 见光隐形 方面 ， 只 是靠涂 抹迷彩 或歪 曲兵 器 的 外形 等初 级的 方法 。 不 发光物 质之所 以可 见 ， 就是 因 为它 反射和散射了 光线 。 “ 左 手材料 ” 制 造 的 兵器 可 以 将光线或 雷达波 反 向 散射 出 去 ， 使得从正 面接收不 到 反射的 光线或 微波。 美 国科学 家 Ｎａ ｄｅｒ Ｅｎ ｇ ｈ ｅｔ ａ 提 出 利 用 二 维平 面 左手材料在 某些 频 段会 出 现 高 阻抗的 特性 ， 通 过在 高阻抗表面载入 电 阻 ， 使整 个表 面呈 现 纯 阻 性的 表 面阻抗． 这种 结构 对电 磁波有 很好 的 吸 收效果 ， 可用 用 作雷达波 吸波 材料 ， 应 用 在需 要 电 磁隐 身 的 飞 机 军舰上 ． 完 美 的 隐 身衣 应 该是 既 不反 射也 不 吸 收 电 磁 波 ， 而 是让电 磁波 转弯 ， 绕 着 物 体走 ， 这样 物 体就隐 身 了 。 这就像小溪里 的 流 水 ， 经 过一 块石头 时 ， 溪 流 会绕过石头 后再合拢 ， 继续 向前 ， 就像没有 遇 到 过石 头＾■ 样 。 ６ ］ 据 了解 ， 目 前专 家们设计出 具有 独特环形 结构 、 具有 “ 颠覆 ” 意 义 的 、 人工合 成 的 “ 左手材料 ” ， 能够 改 变光线 的 折射率 。 左 手材料 通 过合理 的 设计 ， 光 的 折射率可 以人为控制 ， 这也使得隐形 的 愿望可期 ， 当 然要 找 到 完 美的 “ 左手材 料 ” 设计思 路 ， 是 件相 当 困 难的 事情 。 “ 隐形 斗篷 ” 是左手材料 又一 个新的 重 要 应用
1期 张士卫：左手材料的研究与应用 71 利用左手材料可以对电磁波的传播方向进行任意改 型的光学器件，可用于进行具有危险性的生物化学 变，从而实现物体的隐身，具有非常重要的军事意义。 药剂深测、微量污染深测、生物安全成像、生物分子 指纹识别以及减恶劣天气条件下的导航等。利 3.4完美透镜 用左手材料负折射和倏逝波放大特性可以制作集 由于传统的光学显微镜分辨率受衍射极限的 成光路里的光引导元件，有望制作出分辨率比常规 制，可分辨的最小结构约为半个波长。假设光源的 光学诱镜高儿百倍的扁平光学诱镜。左手材料不有 颜率为仙，考虑电磁波以Z轴(Z轴为透镜的中心 望解决高密度近场光存储遇到的光学分辨率极限间 轴)为传播方向它的辐射电场呈沿传播方向指数衰 题，制作出存储容量比现有DVD高几个数量级的新 减的减幅场，即倏逝波。由于倏逝波呈指数衰减得 型光学存储采统[门 特别快，使得它不能到达成像面成像，而只有传播波 左手材料研究领域已越来越被各国科研人员所 对成像有贡献，倏逝波所携带的信息被丢掉，所以成 重视。随着科学家们的不断探索，人们将制造出更 像并不完美。要想达到比较理想的成像效果必须 加主富多样的左手材料将在空间技术武器装各 使倏逝波也能参与成像，使之能成为完全接近于光 卫星有效载荷、遥感探测等领域得到更加广泛的应 源的像。 用，有力地促进我国国防事业的发展。表1为左手 可以利用左手材料的理想透镜特点，制作微型 材料已知的应用领域 分光仪、超灵敏单分子探测器，磁共振成像设备及新 表3左手材料已知的应用领域-2词 应用领城 应用实例 应用效界 新型微带讲叛器 尺寸远小丁传统半泼长微带谱叛暑 电磁波的能主安辈限谢在中心k域 新型就波卷 具有浩波物功能。且结构餐法。体积小 新型棉合器 理论上能够实现100%的繁，合，分对称和不对称2种 航空天 新型超海雷达吸波材料 对质直人的血微法右提鲜的吸收黄里 新型微带漏波天线 可得到压控宋波扫指行波天线。可实现180°料描 移功通讯 智能定向天线 实现智能了找信号发射基地，避电波对于机位用者的射（但在实验室阶段 三算空问构建的“超材料列中央红外光线进行货折射，这使它能多用丁史广范甘的通信 无探伤备 体积吏小、价格史低底 可席用丁超灵敏单分了探卷，用丁探测微量污染 物光学 破和射极限的透铜 排空向构建的“超材料”，能够让人们看带小到分子的物体，进行医学诊衡成像 用料导线到制光被被段的山Ms,制作启平光学透镜 电子 光子指件，光引导元件 高沉密的轮终签分车极限用题。制作州#化帝量比说有 生物属用 红外波段破应 生安伞成像、生物分子指纹识州、婚感，恶劣天气条件下的导航、微型诸振腔等 4结束语 光学以及应用电磁学领域的重要研究课题之一，它 左手材料开创了一个全新的领域，它具有的独 为介质材料的研究开创了一个全新的领域，一跃成 特电融特性和潜在的应用前景，其研究成果将在很 为国际科学界关注的热点，吸引了众多学者的目光 多研究领域得到应用。它成为固体物理、材料科学 随者左手材料研究技术的逐步成熟，许多原有的技 术将得到更大的发展和突破. 1994-2018 China Academic lournal flectronic publishing Hous All rights reserved. http: //www.cnki.net
张士卫 ： 左手材料的 研究与 应用 ７ １ １ 期 利用左手材料可 以对 电磁波 的 传播方 向进行任意改 变 ， 从而实 现物体的 隐身 ， 具有非常重 要的 军事意 义。 ３ ． ４ 完 美透镜 由 于 传统 的 光学显微镜 分辨率受衍射极限 的 限 制 ， 可分辨 的最小结构 约 为 半个 波长 。 假设光源 的 频率为 〇） ， 考 虑 电 磁波 以 Ｚ 轴 （ Ｚ 轴 为 透 镜 的 中 心 轴 ） 为传播方向 ． 它 的 辐射 电 场呈沿传播方 向 指数衰 减 的 减幅 场 ， 即 倏逝 波 。 由 于 倏逝 波呈 指 数衰减 得 特别 快 ， 使得它不 能到 达成像面成 像 ， 而 只有 传播波 对成像有 贡献 ， 倏逝波所携带 的信息被 丢掉 ， 所以 成 像并不完 美 。 要 想 达到 比较理想 的 成像效果 必须 使倏逝波 也能参与 成像 ， 使之能 成为 完全接近 于 光 源 的 像。 可 以 利 用 左手材料 的理想 透镜 特点 ， 制作微型 分光仪 、 超灵敏单分子探测器 、 磁共振 成像设备及新 型的 光学器 件 ， 可 用 于 进行具有 危 险性 的 生 物 化学 药剂探测 、 微量污 染 探测 、 生 物 安 全成像 、 生 物 分子 指纹识别 ， 以 及遥 感 、 恶劣 天气条件下 的 导航等 。 利 用 左手材料 负 折射 和倏逝 波放大 特性． 可 以制 作集 成光路里 的 光引 导 元件， 有 望制 作 出 分辨 率 比 常 规 光学透镜高 几百 倍的 扁 平光学透镜 。 左手材料还有 望解决高 密度近 场光存储遇到 的 光学分辨率极 限问 题 ， 制作 出存储容 量比 现有 ＤＶＤ 高几个数 量级的 新 型光学存储采统。 ［ ７ ］ 左手材 料研究领域已 越来越 被 各国科研人员 所 重视 。 随着 科学家 们 的 不 断探索 ， 人们 将制 造 出 更 加 丰 富多样 的 左手材 料 ， 将在 空 间 技 术 、 武器 装备 、 卫星有 效载 荷 、 遥 感探测 等 领域得 到 更 加 广 泛 的 应 用 ， 有力 地促 进我 国 国 防事 业的 发 展 。 表 １ 为左 手 材料 已 知 的 应用 领域 。 表３ 左手材料 已知 的应 用领域 应用 领 域 应用 实例 应 用效 果 微波 领 域 新 型 微带 谐振器 尺 、 Ｊ ｉ 远小 Ｔ 传统半 波 长微 带 谐振器 开 放式谐振腔 电磁波 的 能量主 要 辈 限制 在 中 心 区域 新 型 滤波 器 具 有 谐波 抑 制 功 能 ， 且 结构 紧凑 ， 体积 小 新 型 耦合 器 理 论上 能够 实现 １ ０ ０ ％的紧 耦 合 ， 分 对称 和 不 对称２ 种 航空 航天 新 型 超薄 雷 达 吸波材料 对乖 直 人射的 电磁波 有很 好 的 吸收 效 果 移 动 通讯 新 型 微带 漏 波天线 町 得到压 控束波扫 描 行波 天线 ， 吋 实现 １ ８ ０ ° 扫描 智 能 定 向 灭 线 吋 实现智 能寻 找信 ４ 发射 基地， 避免 电 磁波 对手机 使用 者 的辐射 （但在实 验室 阶段 ） 二 维 空 间构 建 的 “ 超 材料 ” 中 央红 外光 线进行 负折射， 这使它 能 够用 丁 ？ 吏广 范 围 的通 信 检测 无损 探伤 设 备 体积吏 小 、 价格更低 廉 物理 光 学 突 破衍射极 限 的 透镜 可 应用 丁 ？ 超 灵敏单分子探测器 ， 用 Ｔ探测微 量 污染 二 维 空间 构 建 的 “ 超 材料 ” ， 能够 让 人们看淸 小到Ｄ ＮＡ分 子 的物 体 ， 进行 医学 诊断 成像 电 子 光 子 器件 ， 光 引 导 元件 利 用纳 料导线矹制 光波波 段 的 ＬＨＭｓ ， 制 作扁 平光 学透镜 有 望解 决 卨密度 近场光 存 储遇 到 的光 学 分辨 率 极 限 问题 ， 制 作 出 ＃ 储容 量 比现有 ＤＶＤ高几 个 数量级 的 新型 光宁 存 储系 统 生 物 医用 红 外 波段 磁 响应 生物安 全成 像、 生物 分＋ 指 纹识別 、 遥感 ， 恶劣 天气 条件下 的导 航 、 微型 谐振 腔等 ４ 结束语 左手材料 开创 了 一 个全新 的 领域 ， 它具有 的 独 特电 磁特性和潜在 的 应用 前景 ， 其研究成 果 将在 很 多研究领 域得到 应用 。 它成 为 固体物理 、 材料科学 、 光学 以 及应用 电 磁学领域 的 重 要 研究课题 之一 ， 它 为介质 材料 的 研究 开创 了 一 个全新的 领域 ， 一 跃 成 为 国 际科学 界关注 的 热点 ， 吸引 了 众多学者 的 目 光． 随着左手材料研究 技术 的 逐 步 成 熟 ， 许多 原有 的 技 术将得到 更 大 的 发展 和突 破．
72 功能材料与器件学报 21卷 的应用.中国无线电，201，Nn.8,46-49 参考文献 [5]李爱铭，“左手材料将彻底消除手机辐射，金阔世界 [1]吕东启，杨丽君，左手材料理论及研究进履，保定学院学 2006,No.1,47. 报2010.Vol.23,No.3,38-43. [6]神奇隐形衣用舍做？“左手材料”！，现代快报，2008-10 13. [2】弓巧侠，路钢，赵双，左手材料设计的研究进展，材料 [7]赵伟，赵晓鹏，左手材料的研究进展，材料导报，2006。 导报.2010.Val24.N0.1.4246. Val.20.Na.2.26-29. 「3]西安交大“左手材料”研究取得新进展.西安交通大学学 报2005N。121040 [8]王方，左手材料的研究及应用，新材料产业，200，N.5, 68-72. [4)庙若蜜陈良，浅谈“左手材料"在未来无线通信系统中 9-018China Academie Joural Electronie Publishing House.All rights reserved.hup://www.enki.ne
７ ２ 功能材料与 器件学报 ２ １ 卷 参 考文 献 ［ １ ］ Ｓ 东 启 ， 杨丽君 ， 左手材料理论及研究进展 ， 保 定学 院学 报 ， ２０ １ ０ ， Ｖ〇 １ ２ ３ ， Ｎｏ ３ ， ３ ８ ￣ ４３ ［ ２ ］ 弓 巧侠 ， 路 纲 ， 赵 双 ， 左手材料 设 计的 研究 进展 ， 材料 导报 ， ２０ １ ０ ， ￥〇 １ ２４ ， ］ ＼〇 １ ， ４２ ￣ ４ ６ ［ ３ ］ 西安交大 “ 左手材料 ” 研 究取得新进展 ， 西安交 通大学学 报 ， ２０ ０５ ， Ｎ〇 １ ２ ， １ ０４ ０ ［ ４ ］ 唐若蜜 ， 陈 良 ， ／戈 谈 “ 左 手材 料” 在未 来 无线 通信 系 统 中 的应用 ， 中 国 无线 电 ， ２ ０１ １ ， Ｎ 〇 ８ ， ４６ ￣ ４ ９ ［ ５ ］ 李爱铭 ， “ 左手材 料” 将彻 底 ／肖 除 手 机辐 射 ， 金 属 世 界 ， ２ ００６ ， Ｎｏ １ ， ４ ７ ［ ６ ］ 神奇 隐形 衣用 啥做 ？ “ 左手 材料” ！ ， 现代 决 报 ， ２０ ０８ － １ ０ － １ ３ ［ ７ ］ 赵伟 ， 赵晓 鹏 ， 左 手材 料 的 研究 进展 ， 材 料导 报 ， ２０ ０６ ， Ｖｏ ｌ ２０ ， Ｎｏ ２ ， ２６ － ２９ ［ ８ ］ 王方 ， 左手材料 的 研究 及应用 ， 新 材料产 业 ， ２０ １ ０ ， Ｎ ｏ ５ ， ６ ８ － ７２