负折射率材料特点及其应用
负折射率材料的特点及其应用
背景
自然界存在的介质都是折射率大于0的，我们常接触的材料的折射率多数都是大于1，在定性思维的误区下，人们认为介质的折射率都为正。
直到1968年，苏联物理学家维克托·韦谢拉戈（Victor Veselago）【1】提出了负折射率的理论。由于韦谢拉戈的这一设想完全颠覆了人们所认知的光学世界，它能够使光波看起来如同倒流一般，在许多现象描述上完全背离常规，所以在相当长的时间内都不被人们认可，这种荒诞的想法没有必要去研究证明。
Veselago为了证明自己的观点开始苦苦寻求满足要求的物质，但是他失败了。没有充足的证据证明他的猜想，渐渐地就被人们淡忘了。
19966年~1999年，英国的Pendry从理论上提出了一种由开路谐振金属环构成，具有等效的负介电常数和负磁导率的三维周期结构，【2】~【3】这一发现理论上证明了负折射率材料的可存在性，使Veselago的猜想重新摆在了人们面前。
不久，美国的Smith等在2000年金属丝板和SRR板有规律地排列在一起，制作了世界上第一块等效介电常数和等效磁导率同时为负数的介质，从实验上验证了负折射率的存在。【4】~【5】他们研制出了相应的器件，负折射率材料由此进入了实质性研究的阶段。
2001年，Shelby等人首次在实验上证实了当电磁波斜入射到左手材料与右手材料的分界面时，折射波的方向与入射波的方向在分界面法线的同侧。【6】
图1.负折射率的超材料
近年来，负折射率材料的研究愈发成为科学界的热点，这要应用于军事、航天等高端领域，起因了国内外众多研究者的注意，涉及电磁波、光电子学、材料学等方面。
随着对负折射率材料的研究，又掀起了一阵对新兴领域的发展，即超颖材料（Metamaterials ）。超颖材料不只包含负折射率材料，也包含单负材料，人工超
低折射率材料和超高折射率材料等。【7】
正如折射率材料的提出一样，超颖材料的重要意义不仅体现在所研制出的几种人工材料，也体现在了一种全新的思维方法。为新型功能材料的设计提供了一个广阔的空间。
理论分析
首先来看一下负折射率材料的概念，负折射率材料也称为左手材料（left handed medium ），简写为LHM （这一命名原由将在后面给予证明）。指的是介电
常数ε、磁导率μ、折射率n 同时为负的介质。【5】
麦克斯韦方程组在物理领域有着至高无上的地位，主要是由于麦克斯韦方程组适用广泛，所以这里我们也从麦克斯韦方程组开始着手。
电磁波尸油谐振的电场和磁场组成。各向异性介电物质中电位移矢量与电场强度矢量方向一致，大小成正比，有
(1)E D ε=
式中ε是比例系数，成为介电常数。
对于各项同性非铁磁性物质，磁感应强度矢量与磁场强度矢量方向保持一致，大小成正比，有
(2)H B μ=
式中μ成为磁导率。
再加上，
(3)E J σ=
以上三个式子被称为物质方程。
我们再来看麦克斯韦方程组的微分形式：
???????????+=????-=??=??=??)4(0t D j H t B E B D ρ
麦克斯韦方程组表明，任何随时间而变化的磁场，都是和涡旋电场一起的。任何变化的电场，都是和磁场联系在一起的。
在各向同性介质中，ε为标量；而有各向异性介质中时，ε为张量，D、ê
不再是同方向。【9】
当讨论在无限大的各项同性介质均匀介质中的情况是，ε、μ都为常数，并且在远离辐射源的区域，不存在自由电荷和传导电流，即ρ=0，j=0。因而麦克斯韦方程组可化简为：
???????????=????-=??=??=??)5(00t D H t B E B D εμ
22)(t
E B t E ??-=????-=???? εμ E E E 2)()(?-???=????
由于0=??E ，所以
E E 2)(-?=???? 因此，0222=??-?t E E εμ
同理，得到
0222=??-?t B B εμ
波动方程，
???????=??-?=??-?)6(00222222t B B t E E εμεμ
由波动方程知，D和ê满足波动方程，表明电场和磁场的传播是以波动形式进行的。且传播速度ν
r r c
v μεεμ==1
式中0εεε=r ，是相对介电常数，0μμμ=r 为相对磁导率。0ε，0μ为ε，μ在真空中的値；c 为自由空间中的光速，001
με=c 。
介质的折射率表示为光线进入表面时介质改变光线线路的能力，并没有规定折射率一定为正。
我们再看一下复折射率，【5】
ik n N -==c
在导电介质中，k 为小光系数。
若用iz X e =来描述波动，X 的模长即为代表振幅，X 的相位表示博得相位。
折射现象改变波矢k ，即对应N 的实部；吸收规律满足振幅随贯穿深度的指数衰
减，即对应N 的虚部。
从理论上来说，N 的实部可以取负数，负折射率的概念并不违背折射理论。 当我们推导折射率公式时，如图2所示，
图2. 电磁波在界面上的折射
AC 、BE 为波前，t in CB AB 11s νθ==，t in CB CE 22s νθ==，有
1
211222121sin sin n n v v ===μεμεθθ 此式被称为Snell 定律。
若单从Snell 定律出发，好像n 恒为正值。丹Snell 定律在推导过程中忽略了一个重要的问题。
在Snell 定律中，定义
r r μεμεμε==112
2n
即使有0,0<
nw k k ??2==λπ ，代入 ???
????-=?=?=?=?E w H k H w E k H k E k εεμμ0000 得
???????-=?=?)7(?00E H k c n H E k c n εεμμ
上式中左边系数皆为正，要求折射率n 、介电常数ε、磁导率μ为同号。【10】
即当0,0>>με时，n 取正；
当0,0<<με时，n 取负。
单独从麦克斯韦方程组的旋度公式来看，矢量ê，磁感应强度B 和波矢k 遵
循右手规则。然而当μ<0时，波传播方向发生反转，与能流方向()
H E ?相反，此时的ê、H 、k 遵循左手规则，所以我们也把这种负折射率材料成为左手材料。
经过实验验证，当电磁波入射到左手材料和右手材料的分界面时，折射波的
方向与入射波的方向在分界面法线的同侧。【6】
由此可画出由常规材料射入到负折射率材料的光线情况，如图3所示，
图3. 光线在左手介质中的折射情况
介质一为右手材料，介质二为左手材料。在介质一中波矢k 和能流s 方向相
同，在介质二中，折射光线的波矢k 和能流s 方向相反。入射光线和折射光线居
于法线同侧，1i 为入射角、2i 为折射角，折射角2i 大小可仍由Snell 定律确定。
但之后有人提出，在RHM （右手介质）和LHM （左手介质）的交界面上发生的负折射只是相速度，与能量息息相关的群速度发生的还是正折射。这就影响到之后要讨论的完美成像的问题。
而且，如果说ε、μ都为负，那么与之相对应的能量密度，
，磁场能量密度电场能量密度222
121H w E w m e με== 也应为负，即负能量。关于负能量的应用和实现有待讨论，但是有文献涉及到了新奇介质的超光速运动问题。
负折射率材料的反常规现象和应用
一、 反常成像现象
负折射介质（NIM ）制作的透镜与常规介质（PIM ）透镜有完全相反的效果，
这是有它本身的性质决定的，【11】如图4所示，
图4. NIM 介质的透镜
在图3中，第一个凸透镜起到了发散光线的作用；第二块凹透镜起到会聚光线的作用；而在第三块平板棱镜，光线分别在透镜内部和外部重新会聚成一点，成实像。由此英国皇家学院的Pendry 认为，NIM 可以突破衍射极限，无损耗的完美成像的“完美透镜”。
Veselago 【1】曾经指出，折射率为-1的平板棱镜能将来自附近电磁波源的光线聚焦到另一侧而成像。而对于普通的光学透镜（ε>0，μ>0）而言，由于携带物体亚波长信息的倏逝波随传播距离呈指数衰减，因此达到像面时的电磁波必然会损失一部分关于物体的信息。
对此，Pendry 【2】指出了不损失物体信息的完美透镜。
用一块NIM 平板构成一块透镜，用此平板棱镜成像时，所有的傅里叶分量都会聚焦，倏逝波振幅被放大，从而保留下全部信息。
设频率为w 的偶极子，其辐射场的电场分量可以利用傅里叶级数展开得，
()()()∑-++?=y
x k k y x z y x iwt ik ik z ik k k E t r E ,,exp ,,σσ 其中，2222y x z k k c w k --=-，
当2222y
x k k c w +>-时，z k 为实数； 当2222y
x k k c w +<-时，2222--+=c w k k i k y x z 。
此时，沿+z 方向传播，幅度按指数规律衰减，即倏逝波衰减很快，无法参
与成像，故传统光学透镜要求2222y x k k c w +>-。分辨率λππ==≈?w
c k 22max 。 而当透镜为负折射率介质时，设11-=-=με，，即此时折射率n=-1，反射系数0→S R ,即传播波无损失地参与了成像。波传播一段距离z 后复振幅放大()z ik z ex p 。由于NIM 和PIM 中波矢方向相反，所以右手介质中的衰减场进入左手介质后变为增强场，相当于对倏逝波进行放大，放大后的倏逝波进入PIM 后又衰减为原来的値，最后成像。如图5所示，
图5. 倏逝波成像过程
Pendry 认为该棱镜突破了衍射极限的限制，达到亚波长分辨率的完美成像。将这种理论上的透镜称之为“完美透镜”。
但是随后，就引起了人们的置疑。
首先是Garcia 【12】指出，NIM 不能实现“完美透镜”。理论分析表明，Pendry 假象的左手材料不吸收或传播光的能量，倏逝波将包含无穷大的能量，对其进行恢复没有物理意义，而且NIM 透镜是有厚度限制的，它阻碍了振幅的修复和完美聚焦。实际介质中必然会发生能量损失，比如由于色散引起的能量被吸收，所以要达到“完美”是不可能的。
Smith 【13】也指出，NIM 的损耗和透镜的厚度的因素都会影响到亚波长的成像分辨率。但是，相比常规透镜NIM 的成像分辨率已经大大提高。因此将此现象定义为“超透镜”（superlens ）更为贴切。
“超透镜”可以应用于提高分辨率，用于医学成像等。还可以大幅度提高光学存储器的存储容量。
二、反常多普勒频移
我们都知道多普勒效应【9】：光源远离我们时，我们看到的光的波长会增加，频率变短，此时称为红移现象；而当光源靠近我们是，我们观测到光的波长变短，频率增大，这种现象叫做蓝移。
而在NIM材料中，现象正好相反，光源远离我们时发生蓝移，而靠近我们时发生红移。这是因为在NIM中能量的传播方向和波矢方向正好相反【14】，如图6所示，
图6. PIM和NIM中的Doppler效应
在图中，（a）为右手介质的Doppler效应，（b）为左手介质的Doppler效应，A为光源，B为探测器并以速度v向光源移动。
在NIM中，收到的电磁波频率比光源的频率低；在PIM中，收到的电磁波频率比光源的频率高。
三、负Goss-Hanchen位移
首先让我们来认识一下什么是Goss-Hanchen位移。
Goss-Hanchen位移【15】就是在两种介质（两种介质都是右手介质）的分界面上，若入射光束被界面全反射，反射光束在界面上相对于几何光学预言的位置有一个很小的横向位移，且位移沿光的传播方向。
我们知道Goss-Hanchen位移是由于在低折射率区的倏逝波把入射光束能量沿着反射界面传输引起的。位移的大小仅仅与两种介质的相对折射率以及入射光束的方向有关。在两种PIM介质的分界面上，能量将向右传输，横向位移向右；但是，当光束由PIM入射到NIM中，且发生全反射，在NIM中，能流方向与波矢方向相反，导致横向位移会向左。
图7. 不同材料的Goss-Hanchen 位移
四、 逆Cerenkov 辐射【16】
在前面的理论阐述中我们知道NIM 中相速度与群速度方向相反。
在色散介质中群速度决定了带有信息的电磁波的传播方向和能量流动。群折射率在NIM 中还是正的。
高速带电粒子在非真空的透明介质中穿行，当粒子速度大于光在这种介质中的相速度（即单一频率的光波在介质中的传播速度）时，就会激发电磁波。这种现象就叫做Cerenkov 辐射。
Cerenkov 辐射不是单个粒子的辐射效应，而是运动带电粒子玉戒指内束缚电荷和诱导电流所产生的集体效应。
当带电粒子在介质中以速度v 沿一直线运动，波矢量θcos z k k =
方向主要顺着v 方向，但是分量方向在左手介质和右手材料中完全相反。
其中，夹角θ为切伦科夫焦，满足nv
c =θcos ，v 为粒子速度。
图8. RHM 和LHM 介质的Cerenkov 辐射
从电动力学的理论来解释，在真空中的匀速运动的带电粒子在周围引起诱导电流，从而在其路径上形成一系列次波源，分别发出次波。当粒子速度超过光速时，这些次波相互干涉，辐射出电磁波，干涉后形成的等相面是一个锥面，电磁波能量沿此锥面的法线方向辐射出去。
五、反常光压
光压【17】就是射在物体上的光对物体所产生的压力。有些人可能会觉得十分的不可思议，如果能产生压力的话，那么我们每天就都会受到来自太阳和灯光的压力了？
答案是肯定的。因为我们知道由于光具有粒子性，所以当光达到物体上时，根据动量定理，会对此物体产生一定的压力。大量光子长时间作用就会形成一个稳定的压力。只是由于我们的感觉器官的灵敏度的限制而感受不到来自光的压力。但是有大量的实验和事实可以证明。
例如，彗星尾巴就是由于受到太阳的光压形成的背离太阳的现象。
早在1901年，俄国物理学家彼得·尼古拉耶维奇·列别捷夫设计了一个实验，首次发现光压，并且测量了数据。与此同时，美国物理学家尼科尔斯和哈尔也分别用精密实验测定了光的压力。
下面我们用理论来证明一下PIM和NIM中的光压现象。【18】
一束入射的平面单色光波可以看作是光子流，其中每个光子携带的动量p=hk。假设光束在介质表面发生全反射。如图8所示，
图9. 不同介质的光压效应
在右手系介质中，波矢k的方向与电磁波的传播方向相同，光对物体是假了一个朝向物体的动量，即对物体产生一个压力。而在负折射率材料中波矢k的方向与电磁波的传播方向相反，故负折射率材料中传播的电磁波会对物体产生吸引力。
应用前景及可能性
利用负折射率介质的本身性质制作出“超透镜”
这点是十分可能的。在前面的理论分析中已经讨论过，虽然现在还不能制备出无任何光能损失的“完美透镜”，这种分辨率大大提高的“超透镜”也有十分广泛的应用空间。
将这种超透镜应用到显微镜上，可以大大显微镜的精度，能够看到小到DNA的物体。
用NIM可以达到用光束来处理信息和电子产品，提高存储容量和计算速度，未来我们将会研制出体积更小，容量更高，性能越好的电子设备。
近年来对负折射率材料的另一热点研究就是应用于国防。有人设想可以用NIM作为新一代隐身战斗机的材料。目前隐身是通过优化飞机的气动外形减少反射截面和涂抹吸波材料使反射到敌方雷达的电磁波减少到最少，或是利用干扰以混淆目标和背景使敌方不能发现从而达到隐身效果。但是这种方法不是特别完美，天价的隐身战斗机一旦被发现损失是相当大的。
所以有人开始设想，若将战斗机表面或整体材料都换成是负折射率材料，因为磁波通过负折射材料会发生弯曲绕过，而不会反射到雷达上，从而实现更高质量的隐身。
但是就目前人类所掌握的技术来说是根本达不到的。
首先，若是降战斗机的表面涂层用负折射率介质是不可能的。一名为目前我们目前所能研制出的一种可增强光线的负折射率超材料是利用渔网样薄膜和银、氧化铝叠层研制出的，是将银和不传到的氧化铝交替层叠在一起，在薄膜上挖出直径为100nm的小洞，小洞交织在一起。然后利用刻蚀技术去掉银层之间的氧化铝，用增益介质填充。这样的符合结构都是由两种或两种以上的电解质材料周期性排列而成的人造材料，排列周期为波长量级，具有光能带间隙，可以控制电磁波在其中传播。
图10. 人工构造的负折射率材料样品
而且复合材料对厚度有要求，一种复合材料要想达到完全折转电磁波的作用的话，就会要求很多个排列周期，厚度很大，所以根本不可能做涂层。
要是用NIM做战斗机全身就更不可能了，这样对NIM性能的要求更高。
目前人类所研制的负折射率材料都是在微波段取得明显成效，复合材料还要求有特定波长，对于战斗机的全部可见光波段的隐身还需要进一步的发展。
由于负折射率材料的特殊性质对国防方面的发展极具诱惑力，目前美国欧洲都在大力研究这项技术。
利用负折射率材料的特性研发的另一个被世人津津乐道的就是隐身衣。视觉隐身的原理实际上是引导光波等“转向”。这一设想刚好符合NIM 的特性，所以人们希望通过对NIM的研究来制备出像《哈利·波特》中一样的隐身衣。
2004年，日本东京大学教授推出了一款宽大外衣，人们只需穿上这件外衣，就可以让人“难以辨认”。但是它不是真正的隐身衣，它只是在整个衣服上涂上了一层回射性物质，衣服上还装配了照相机，原理是将衣服后面的场景由摄影机拍摄下来，然后将图像转换到衣服前面的放映机上，再将影像投射到由特殊材料制成的衣料上，从而达到视觉伪装。
图11. 日本发明的隐身衣
但随着刘若鹏的宽频带隐身斗篷的问世，和近年来美国杜克大学及中国东南大学研制的可以扭曲微波的隐身斗篷，未来实现《哈利波特》小说中的隐身斗篷的日子已经不远了。
负折射率材料是当今国际科学研究的热点问题，有着强大的潜在发展前景，我国目前对此课题的研究已经有了一定的成果。
参考文献
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负折射率材料
超颖材料（Metamaterials）的发展 李雄SC08009037 机密机械与精密仪器系本人博士阶段的课题方向为超颖材料（Metamaterials）的设计与应用。Metamaterials这一概念在提出之初，通常指的是介电常数(ε)和磁导率(μ)都是负数的材料(物质)，因此它又称负折射率材料、左手材料或双负材料，这在自然界中并不存在。然而随着这一新兴领域的发展，其研究范围被不断扩展，目前，它的范围已包含负折射率材料，单负材料（人工复介电常数材料(ε)和人工复磁导率材料），人工超低折射率材料和超高折射率材料等等。Metamaterials是本世纪物理学领域出现的一个新的学术词汇，正因为其具有自然界物质不存在的奇异特性，因而受到广泛关注，并已在其相关的几个实际应用领域显示出了巨大的应用前景。 1、Metamaterials的发展概述 拉丁语“meta-”，可以表达“超出…、亚…、另类”等含义。对于metamaterial 一词，目前尚未有一个严格的、权威的定义，各种不同的文献上给出的定义也各不相同。但一般文献中都认为metamaterial是“具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料”。 从这一定义中，我们可以看到metamaterial重要的三个重要特征： （1）metamaterials通常是具有新奇人工结构的复合材料； （2）metamaterials具有超常的物理性质（往往是自然界的材料中所不具备的）； （3）metamaterials性质往往不主要决定与构成材料的本征性质，而决定于其中的人工结构。 尽管metamaterials的概念出现于21世纪，但追溯其源头则可以找到上一世纪中后期几位杰出科学家的“灵光一闪”。 1967年，前苏联科学家维克托·韦谢拉戈（Victor Veselago）提出，如果有一种材料同时具有负的介电常数和负的磁导率，这种物质将能够颠覆光学世界，它能够使光波看起来如同倒流一般，并且在许多方面表现得有违常理的行为。然而，众所周知，同时具有负介电常数和负磁导率的材料在自然界中是不存在的，
超材料doc
超材料——过去十年中人类最重大的十项科技突破之一 狭义上超材料即指电磁超材料,电磁超材料具有超越自然界材料电磁响应极限的特性,能够实现对电磁波传播的人为设计、任意控制。目前该材料被应用在定向辐射高性能天线、电磁隐身、空间通信、探测技术和新型太赫兹波段功能器件等方面。 看好电磁超材料在军工、通信和智能结构等方面的应用前景 电磁超材料在军工领域的应用比较广泛,目前已应用的超材料产品包括超材料智能蒙皮、超材料雷达天线、吸波材料、电子对抗雷达、超材料通讯天线、无人机雷达、声学隐身技术等。 通信领域电磁超材料最具应用前景的就是无线Wi-fi网络,目前光启已进入该领域。 电磁超材料在智能结构中的应用主要有两类:地面行进装备用智能结构和可穿戴式超材料智能结构。智能结构用电磁超材料的市场前景非常广阔 超材料主题相关主要包括:(300077)、龙生股份(002625)、(600804)和(600490)等,建议重点关注国民技术、鹏博士和鹏欣资源。 超材料 “Metamaterial”是21世纪物理学领域出现的一个新的学术词汇，近年来经常出现在各类科学文献。拉丁语“meta-”，可以表达“超出…、亚…、另类”等含义。对于metamaterial一词，目前尚未有一个严格的、权威的定义，各种不同的文献上给出的定义也各不相同。但一般文献中都认为metamaterial是“具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料”。 迄今发展出的“超材料”包括：“左手材料”、光子晶体、“超磁性材料”等。 “左手材料”是一类在一定的频段下同时具有负的磁导率和负的介电常数的材料系统(对电磁波的传播形成负的折射率)。近一两年来“左手材料”引起了学术界的广泛关注，曾被美国杂志评为2003年的"年度十大科学突破"之一。 原理 超材料的应用与原有的材料制备有很大的区别，以往是自然界有什么材料，就能制造出什么物品，而超材料完全是逆向设计，根据针对电磁波的具体应用需求，制造出具有相应功能的材料。 特征 metamaterial重要的三个重要特征： （1）metamaterial通常是具有新奇人工结构的复合材料； （2）metamaterial具有超常的物理性质（往往是的材料中所不具备的）； （3）metamaterial性质往往不主要决定与构成材料的本征性质，而决定于其中的人工结构。 隐形功能 具有讽刺意味的是，超材料曾被认为是不可能存在的，因为它违反了光学定律。 然而，2006年，北卡罗来纳州的（Duke University）和（Imperial College）的研究者成功挑战传统概念，使用超材料让一个物体在微波射线下隐形。尽管仍有许多难关需要克服，但我们有史以来头一次拥有了能使普通物体隐形的方案（五角大楼的国防高级研究计划署[The Pentagon’s Defense Advanced Research Project Agency，DARPA]资助了这一研究）。 制造研究
负折射率材料在军事隐身技术上的应用
负折射率材料在透镜聚焦成像方面的应用 众所周知，传统的光学透镜已经有很悠久的历史，其局限性是没有哪个透镜能将光聚焦在比λ2更小的范围内，即传统的光学透镜要受到光波长的限制。然而使用负折射率材料制成的透镜可以极大地突破这种限制，这种透镜可以聚焦2D成像中的所有傅里叶成份以及那些不能在辐射方式中存在的传播，这样的透镜可以作为微波光束检测的常规手段。Pendry[1]从传统的光学透镜理论出发，模拟了负折射光学透镜的可能性原理，他认为传统的光学透镜只适应于纵向波矢，而无法对横向波矢进行研究,因为横向波矢的衰减太严重，而体现物质光学传输特性的传输波几乎都在横向波矢（衰减波）里面，要对这些传输波进行研究，就得找新材料，显然，负折射率材料刚好能满足这一要求。负折射率材料不仅能够和常规介质一样会聚行波，而且还能增强随距离增加快速衰减的衰逝波振幅，修复衰减波的相位。因此，这种具有传播和增强衰逝波性能的材料可以提高成像分辨率。如果用负折射率材料制成超透镜，那么这样的透镜就有几个重要的优点：（1）由于没有光学轴，因此就不需要对共轴条件有更为苛刻的要求。（2）平行厚板代替曲线形状，其结构更为简单，同时也更能适应于大规模生产的需要。（3）当给定超透镜的结构和光束的波长后，超透镜的分辨率就不受透镜的表面周长和光束波长的限制了，a s/λ越小，其分辨率越高。 利用负折射材料透镜具有高分辨率的这种优良特性，可以制作微型分光仪、超灵敏单分子探测器、磁共振成像及新型的光学器件，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。另外，利用负折射率材料的负折射和衰逝波放大特性，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仪器高几百倍的扁平光学透镜。负折射率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的DVD高几个数量级的新型光学存储系统。 此外，我们也可以利用负折射率材料制成的平板透镜的汇聚特性实现天线搬移的功能。如下图所示，假设A为实际天线，电磁波经过负折射材料透镜后在B处成像，与天线在B 处的辐射效果相同，所以负折射率透镜在军事中可以起到隐蔽天线A的作用。 图：波在负折射率平板中的传播示意图 [1]Pendry J B.Negative Refraction Makes a Perfect Lens [J].Phys Rev. Lett,2000,85(18):3966～3969.
超材料原理
超材料原理 超材料(meta-material)是一种人工的、三维的、具有周期性或非周期性单元结构的、具有某种特殊性质的宏观复合材料。超材料的主要原理是依靠三维复杂单元结构，实现对材料电参数及其空间分布的控制，从而控制电磁波/光波的传输行为。由于超材料常具有显著的三维空间不对称性，其材料参数常具有空间各向异性。 超材料的本质原理与1862年勒鲁(Le Roux)提出的‘反常色散’现象是非常类似的，指随着入射电磁波频段的降低，在吸收频带以上附近形成的折射率随由正值迅速下降的为零甚至负值的现象。负折射率材料内部的群速度(能量速度)和相速度(视觉速度)是相反的，这一点已被化学波实验所证实。 典型的两种超材料结构，负折射率材料和三维隐身衣，其机理是不同的，分别依靠负折射率单元周期排布和渐变正折射率单元空间分布实现的，其实现的单元结构均为分裂环(split-ring resonator，SRR)。 超材料的定义实际上相当宽泛，因为没人能精确定义特殊性质是什么性质。超材料一般用于描述三维结构，但是超材料的概念常与频率选择表面的概念混为一谈，事实上超材料和频选的特征分别是三维体结构，二维平面结构及其层叠结构。超表面属于频选。化学波实验证明了超材料在自然界或各向同性介质中是有可能存在的，尽管机理可能有所不同。
由于任何材料均存在着强烈的色散关系，超材料的特性仅存在于窄频带以内，已知的负折射率材料和隐身衣均是如此。通过单元空间分布方式的精确复杂控制，有可能补偿超材料的色散。 超材料原理的应用范围包括对所有物理波的调制：包括电磁波(光波)、声波、机械波、化学波等，有可能实现波的定向发射、绕射、聚焦、成像。 部分图片来源：学术期刊《science》，《physical review letters》 图1：负折射示意图 图2：负折射结构实物图
浅谈负折射率材料的研究进展
浅谈负折射率材料的研究进展
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学号20095040067 本科毕业论文 学院物理电子工程学院 专业物理学 年级2009级 姓名毛慧娟 论文题目浅谈负折射率材料的研究进展 指导教师张新伟职称讲师 2013年04月26日
目录 摘要 (1) Abstract (1) 1引言 (1) 2 负折射率材料的异常物理性质 (2) 2.1 群速方向和波矢方向相反 (2) 2.2 负折射现象 (2) 2.3 逆多普勒效应 (2) 2.4 逆Cerenkov辐射 (3) 3 实现负折射率材料的方法 (3) 3.1 双负介质实现负折射 (4) 3.2 手征介质实现负折射 (5) 3.3 光子晶体实现负折射 (6) 4 负折射率材料的应用 (8) 4.1 负折射率材料在军用雷达天线和通信器件中的应用 (8) 4.2 负折射率材料在隐身技术领域中的应用 (10) 4.3 负折射率材料在超灵敏探测仪器中的应用 (11) 4.4 负折射率材料提高空间望远镜分辨率的可行性 (12) 5 结语 (13) 参考文献 (13)
浅谈负折射率材料的研究进展 学生姓名：毛慧娟学号：20095040067 单位：物理电子工程学院专业：物理学 指导老师：张新伟职称：讲师 摘要：本文在介绍负折射率材料的国内外研究发展历程及其异常物理特性的基础上，介绍了负折射产生的原理，阐述了实现负折射率材料的3种主要方法，指出负折射率材料在军用雷达、天线技术、通信系统及器件、隐身技术、超灵敏探测等方面具有极大的应用价值和前景。 关键词：负折射率材料；左手介质；纳米；研究进展 Discussion on the research progress of negative refractive index materials Abstract：after the introduction of the development process of negative refractive index materials on the earth and its unusual physical properties in this paper，I introduce the principle of negative refraction and three main approaches to achieve negative refraction materials，pointed out that negative refractive index materials in militarythe radar antenna technology，communications systems and devices，stealth technology，ultra-sensitive detection has great application value and prospect. Key words：Negative refractive materials；left-handed material；Nano research progress 1引言 近几年，一种称为负折射率系数介质的人工复合材料在理论与实验上引起了广泛的关注。1968年，前苏联物理学家Veselago提出了“左手材料”的概念，这种负折射材料具有负的介电常量与磁导率，那么电矢量，磁矢量和波矢之间构成左手系关系，这区别于传统材料中的右手系[1]。由于自然界没有介电常量和磁
功能材料(负折射率材料)
负折射率材料 实验中发现，在某种材料中，光线的折射与正常折射不同，正常折射时，光线会位于法线的不同侧，在这种材料中，光折射时，光线位于法线的同侧，因此称之为负折射现象，这种材料叫做负折射率材料。在负折射率材料中，电场、磁场和波矢方向符合“左手法则”，而不是常规材料中的右手定则，所以具有负折射率的材料也被称为左手材料。光波在其中传播时，能流方向和波矢方向相反，用同时具备负介电常数和负磁导率的超材料可以得到这一现象，此时超材料具有负折射率，这样的材料也被叫做负折射率材料。 光波是一种电磁波，在传播过程中，电场、磁场和波矢方向遵守右手定则)//(k H E ?。光发生正常折射时，遵守折射定律)sin sin (2211i n i n =，入射光线和折射光线在法线的不同侧，同时遵守费马原理——光程沿平稳值的路径而传播。但是当光波从具有正折射率的材料入射到具有负折射率材料时，介电常数和磁导率都为负)0,0(<<με，折射率n 取负值 )0(<-=εμn ， 电场、磁场和波矢符合左手定则，能流方向和波矢方向相反)(?=。自然电磁材料以原子或分子构成，光学和电磁性质通过化学来改变，介电常数和磁导率既定且取值有限。而超材料一般认为是具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料，通过单胞的几何排列，设计出不同的结构单元，原则上能够实现几乎任意的电磁参数，比如负值。在晶体学中，原胞是最小重复单元具有一个格点，格点上的原子是一个或者两个或者两个以上，单胞是原胞的整数倍，可以通过改变单胞的形状、大小和构型，使单胞达到几十或者几百个原子的量级，甚至更高，从而改变材料的电磁参数，由此控制电磁波的传输。调控电磁参数可以使材料的折射率为负值，使得这种超材料成为负折射率材料。目前扫描隧道显微镜（STM ）可以观察和定位单个原子，此外，扫描隧道显微镜在低温下（4K ）可以利用探针尖端精确操纵原子，所以可以利用扫描隧道显微镜改变单胞的几何结构，得以实现具有负折射率的超材料。研究发现负介电常数可以由长金属导线阵列（ALMWs ）这种结构获得，微型金属共振器，比如具有高磁化率的开口环形共振器（SRRs ）可以实现负的磁导率。将这两种结构结合，即金属导线和开口谐振环阵列结构，可以实现负折射率材料。除此之外，串联电容和并联电感的周期性结构，以及利用量子相干效应或者EIT （电磁感应透明）效应也可以实现负折射率材料。因为量子相干性，或者说“态之间的关联性”，是描述电子向右自旋和正电子向左自旋的状态是相关联的这一现象。EIT 也叫电磁感应透明，是由原子光激发通道之间的量子相干效应引起的，并导致光在原子共振吸收频率处的吸收减小甚至于变成完全透明，是一种消除电磁波在介质中传播过程中所受到的影响的技术。 可以将铜做成金属导线和开口谐振环阵列结构，再添加其它物质做成复合材料。因为铜有很好的延展性，导热和导电性能较好，并且铜在自然界含量丰富，化学性质很稳定，是抗磁性材料。铜已经得到广泛应用，我们对铜的研究已经很完善。铜的熔点较低，容易再熔化、再冶炼，回收利用相当的便宜。此外，铜是人体健康不可缺少的元素，且它的潜在毒性较低。复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良和耐化学腐蚀等特点。以铜为主要元素的复合材料，以不同方式组合而成，可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围，可以满足不同的需求。 根据广义相对论，时间和空间都是可以“弯曲”的，而空间里的光线同样可以弯曲，利用负折射率材料，改变材料的单元结构，通过不同的结合结构和排列设计，实现了让光波、雷达波、无线电波、声波甚至地震波弯曲的想法。据此，负折射率材料可以扭曲光波，阻碍人眼看见物体；或者使电磁波绕过目标实体而实现隐身。
一种基于复合结构的双频高折射率超材料
? 78 ? ELECTRONICS WORLD ?探索与观察 提出了一种双频高折射率超材料，该单元结构由“方环型”和“方型”的复合金属结构和介质基底组成，且复合金属结构嵌入在介质基底中。其高折射率特性通过增强单元间的电耦合来增大有效电常数，同时减少金属结构的抗磁效应来提高有效折射率，最终实现了超材料的高折射率特性。提出的超材料结构在0.1-1THZ频段内实现了双频高折射率特性，分别在0.51THz和0.69THz取得了折射率峰值，其值分别为8和7，且可以通过控制结构的几何参数来调整两个频段的折射率。 引言:超材料是一种具有人工设计结构并呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的人造材料。超材料的性质不是由组成材料的固有性质决定的，而是由人工设计的“超原子”决定的。通过合理的设计“超原子”的尺寸和形状，以及不同的排列方式，能够实现各种奇特的电磁特性。通过调整超材料的电响应和磁响应，其有效折射率值可以实现从负折射率（Smith D R,Pendry J B,Wiltshire M C K.Metamaterials and Negative Refractive Index:Science,2004）、零折射率（Ziolkowski R W.Propagation in and scattering from a matched metamaterial having a zero index of refraction:Physical Review E Statistical Nonlinear & Soft Matter Physics,2004）到超高折射率的变化。近年来，人们主要关注负折射率和零折射率超材料，而很少关注高折射率超材料。然而，由于光学图像的分辨率与系统中透镜材料的折射率成正比，因此在成像和光刻领域需要高的正折射率材料（Xiao S,Drachev V P,Kildishev A V ,et al.Loss-free and Active Optical Negative-index Metamaterials:Nature,2010）。在太赫兹波段，高折射率超材料也可以为发展太赫兹光学器件开辟新道路，促进如太赫兹隐身（Zhou F,Bao Y ,Cao W,et al.Hiding a Realistic Object Using a Broadband Terahertz Invisibility Cloak:Scientific Reports,2011）、光延迟线（Karalis A,Lidorikis E,Ibanescu M,et al.Surface-plasmon-assisted guiding of broadband slow and subwavelength light in air:Physical Review Letters,2005）、光栅（Park S G,Lee K,Han D,et al.Subwavelength silicon through-hole arrays as an all-dielectric broadband terahertz gradient index metamaterial:Applied Physics Letters,2014）、高折射率透镜（Tsai Y J,Larouche S,Tyler T,et al.Design and fabrication of a metamaterial gradient index diffraction grating at infrared wavelengths:Optics Express,2011）等太赫兹功能器件的发展。 Sivenpiper 等人早前提出了一种非谐振亚波长的平行金属板阵列，通过平行板之间的电耦合来提高有效介电常数，从而获得高折射率特性（Sievenpiper D F,Yablonovitch E,Winn J N,et al.3D Metallo-Dielectric Photonic Crystals with Strong Capacitive Coupling between Metallic Islands:Physical Review Letters,1998）。然而， 所提出的结构具有很大的抗磁效应（0< μ?1），因此，该结构的折射率没有显著的提高。随后，Wood 和Pendry 证明了一种金属立方体结构的抗磁效应是由于金属上的感应电流环产生的磁矩与外加磁场方向相反造成的（Wood B,Pendry J B.Metamaterials at zero frequency:J Phys Condens Matter,2007）。后来Shin 等人用数值方法证明了通过适当的对立方体结构进行改造，可以减小感应电流包围的区域，来减小抗磁效应（Shin J,Shen J T,Fan S.Three-dimensional metamaterials with an ultrahigh effective refractive index over a broad bandwidth:Physical Review Letters,2009）。基于这些理论，Choi 等人设计出了一种太赫兹波段的“工”型高折射率超材料（Choi M,Lee S H,Kim Y ,et al.A terahertz metamaterial with unnaturally high refractive index:Nature,2011），该结构在增大电耦合的同时减小了抗磁效应，实现了超高折射率特性。近年来，在高折射率超材料的发展中，虽然已经取得了一些成果（Singh R,Yan F,Zhang W,et al.Terahertz metasurfaces with a high refractive index enhanced by the strong nearest neighbor coupling:Optics Express,2015；Shi H,Lu Y ,Wei X,et al.Characterization for metamaterials with a high refractive index formed by periodic stratified metallic wires array:Applied Physics A,2009），但很少有人提出双频段的高折射率超材料。 1 单元结构设计 我们提出的结构单元如图1所示，方环金属贴片和方形金属贴片嵌入到介质基底中。其中，金属由电导率为5.8×107s/m ，厚度为0.2um 的铝组成；介电基底的材料为聚酰亚胺，其介电常数为3.4，损耗正切角为0.0027，且介质基底的厚度为30um 。结构的其它参数如下：p=200um ，L 1=L 2=88um ，w=8um 。此外，y 方向上相邻方环金属结构之间的缝隙g 1=p/2-L 1，相邻方形金属结构之间的缝隙g 2=p/2-l 2。 图1 单元结构示意图
NIM(负折射率材料)专题研究
NIM （负折射率材料）专题研究 严 杰 一、有关折射的基本概念 1、基本定义与关系式 电磁学的早期即由实验发现了以下规律：各向同性介电物质中电位移矢量与电场强度矢量方向一致，大小成正比，故有 E ε=D ，式中ε是比例系数，称为介电率或介电常数．另外，实验还证明，对各向同性非铁磁性物质，磁感应强度矢量与磁场强度矢量方向一致，大小成正比，故有H B μ=，式中μ比例系数称为导磁率．ε和μ被看成表征物质电磁性质的宏观参数． 在自由空间(无电荷源及传导电流)，由麦克斯韦方程组导出的电磁波波方程为 由此得无色散电磁波传播速度r r c v μεεμ = = 1 式中，0/εεε=r 是相对介电常数； ,/0μμμ=r 是相对磁导率00με，则为ε，μ在真空中的值； 而c 为自由空间(真空中)光速，0 01 με= c 。实际上，按照麦克斯韦场理论，电磁作用过程是经过场(波)而完成的，在真 空条件下，这个作用传递的速度就是c ．可见，麦克斯韦由于提出电磁场方程组而被后人认 为是伟大的科学家这点没错；但由于时代的局限(经典场论产生于距今136年前)，他的理论不可能解释近年来以量子力学、量子光学为基础而完成的超光速、超慢光速实验． 2、折射 折射是自然界最基本的电磁现象之一。当电磁波以任意角度入射到两种不同折射率的介质交界面处时，波传播的方向会发生变化。那么，介质的折射率是如何定义的？ 图一表示介质1中的入射波在介质2中折射，虚线AC ，BE 为波前，由于 , sin ,sin 2211t v CB CE t v CB AB ====θθ故有 此式即为Snell 定律，由它可以计算折射波前进的方向，式中1v ，2v 均为相速。 ,02 2 2 2 2 2 =??-?=??-?t H H t E E εμ εμ 1 2 11222121sin sin n n v v ===μεμεθθ
负折射率材料特点及其应用
负折射率材料的特点及其应用 背景 自然界存在的介质都是折射率大于0的，我们常接触的材料的折射率多数都是大于1，在定性思维的误区下，人们认为介质的折射率都为正。 直到1968年，苏联物理学家维克托·韦谢拉戈（Victor Veselago）【1】提出了负折射率的理论。由于韦谢拉戈的这一设想完全颠覆了人们所认知的光学世界，它能够使光波看起来如同倒流一般，在许多现象描述上完全背离常规，所以在相当长的时间内都不被人们认可，这种荒诞的想法没有必要去研究证明。 Veselago为了证明自己的观点开始苦苦寻求满足要求的物质，但是他失败了。没有充足的证据证明他的猜想，渐渐地就被人们淡忘了。 19966年~1999年，英国的Pendry从理论上提出了一种由开路谐振金属环构成，具有等效的负介电常数和负磁导率的三维周期结构，【2】~【3】这一发现理论上证明了负折射率材料的可存在性，使Veselago的猜想重新摆在了人们面前。 不久，美国的Smith等在2000年金属丝板和SRR板有规律地排列在一起，制作了世界上第一块等效介电常数和等效磁导率同时为负数的介质，从实验上验证了负折射率的存在。【4】~【5】他们研制出了相应的器件，负折射率材料由此进入了实质性研究的阶段。 2001年，Shelby等人首次在实验上证实了当电磁波斜入射到左手材料与右手材料的分界面时，折射波的方向与入射波的方向在分界面法线的同侧。【6】 图1.负折射率的超材料 近年来，负折射率材料的研究愈发成为科学界的热点，这要应用于军事、航天等高端领域，起因了国内外众多研究者的注意，涉及电磁波、光电子学、材料学等方面。
随着对负折射率材料的研究，又掀起了一阵对新兴领域的发展，即超颖材料（Metamaterials ）。超颖材料不只包含负折射率材料，也包含单负材料，人工超 低折射率材料和超高折射率材料等。【7】 正如折射率材料的提出一样，超颖材料的重要意义不仅体现在所研制出的几种人工材料，也体现在了一种全新的思维方法。为新型功能材料的设计提供了一个广阔的空间。 理论分析 首先来看一下负折射率材料的概念，负折射率材料也称为左手材料（left handed medium ），简写为LHM （这一命名原由将在后面给予证明）。指的是介电 常数ε、磁导率μ、折射率n 同时为负的介质。【5】 麦克斯韦方程组在物理领域有着至高无上的地位，主要是由于麦克斯韦方程组适用广泛，所以这里我们也从麦克斯韦方程组开始着手。 电磁波尸油谐振的电场和磁场组成。各向异性介电物质中电位移矢量与电场强度矢量方向一致，大小成正比，有 (1)E D ε= 式中ε是比例系数，成为介电常数。 对于各项同性非铁磁性物质，磁感应强度矢量与磁场强度矢量方向保持一致，大小成正比，有 (2)H B μ= 式中μ成为磁导率。 再加上， (3)E J σ= 以上三个式子被称为物质方程。 我们再来看麦克斯韦方程组的微分形式： ???????????+=????-=??=??=??)4(0t D j H t B E B D ρ 麦克斯韦方程组表明，任何随时间而变化的磁场，都是和涡旋电场一起的。任何变化的电场，都是和磁场联系在一起的。
负折射率材料
负折射率材料 一、负折射率材料历史及研究现状 负折射率材料(NIMs，Negative index materi—als)是指一种介电常数e 和磁导率同时为负值的材料，具有负群速度、负折射效应、逆多普勒效应、逆切仑科夫辐射、理想成像等异常的物理性质。这种被称为负折射率材料(“左手材料”)的人工复合材料在固体物理、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，对其的研究正呈现迅速发展之势。负折射率材料的这些异常特性，使其在固体物理、材料科学、光学和应用电磁学领域获得愈来愈广泛的青睐，世界各国对其的研究正呈现迅速发展之势。到目前为止，负折射率材料已经在微波、太赫兹波、红外以及可见光波段被证实，并已经开始进行应用领域的研究与探索。 这种负折射率系数介质的人工复合材料在理论与实验上引起了广泛关注。早在1967年Veselago首先研究了这种负折射率系数材料(1eft—handed media)，他用方程证明这种材料具有负的光学折射率。由于传统材料的折射率为正数，我们通常称这种材料为正折射率材料。负折射率材料具有一些奇特的光学与电磁学性质，比如Doppler效应与Cherenkov辐射的逆转、交界面上的反常折射、原子自发辐射率的特殊改变等现象在负折射率材料中都会出现。电磁波在这种材料中的传播特性与在一般材料中相比有很大的不同。负折射率材料的出现，颠覆了～般材料中所普遍遵循的“右手规律”。而它的出现却是源于上世纪60年代前苏联科学家的假想。物理学中，介电常数e和磁导率p是描述均匀媒质中电磁场性质的最基本的两个物理量。在已知的物质世界中，对于电介质而言，介电常数e和磁导率u都为正值，电场、磁场和波矢三者构成右手关系，这样的物质被称为右手材料(right-handexlmalefials，RHM)。这种右手规则一直以来被认为是物质世界的常规，但这一常规却在上世纪60年代开始遭遇颠覆性的挑战。1968年，前苏联物理学家Veselago在前苏联一个学术刊物上发表了一篇论文，首次报道了他在理论研究中对物质电磁学性质的新发现，即：当e和肛都为负值时，电场、磁场和波矢之间构成左手关系。他称这种假想的物质为左手材料(1eft．handed materials，LHM)，同时指出，电磁波在这种材料中的行为与在右手材料中相反，比如光的负折射、负的切连科夫效应、反多普勒效应等。这篇论文引起了一位英国人的关注，1968年被译成英文重新发表在另一个前苏联物理类学术刊物上，但几乎无人意识到，材料世界将从此翻开新的一页。负折射率材料的研究发展并不一帆风顺。在这一具有颠覆性的概念被提出后的三十年里，尽管它有很多新奇的性质，但由于只是停留在理论上，而在自然界中并未发现实际的负折射率材料，所以，这个假设并没有立刻被人们接受，而是处于几乎无人理睬的境地，直到时光将近本世纪时才开始出现转机。原因在于英国科学家Pendry等人在1998～1999年提出了用周期性排列的金属条和金属谐振环(Split2Ring Resonator)可以在微波波段产生负的等效介电常数和负等效磁导率阶，从此以后，人们开始对这种材料投入了越来越多的兴趣。2001年的突破，使负折射率材料的研究在世界上渐渐呈现旋风之势。2001年，美国加州大学San Diego分校的David Smith等物理学家根据Pendry等人的建议，利用以锕为丰的复合材料首次制造出在微波波段具有负介电常数、负磁导率的物质，他们使一
超材料
超材料：科学与技术发展的一种新前沿 摘要：超材料指的是一些具有自然界的天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料，在近十年来已经成为了材料科学、物理、化学以及工程学等学科的前沿发展方向。本文对超材料的基本理论与原理、最新的进展以及未来的发展方向做了详细的介绍。首先展示了超材料的基本原理与理论以及发展历程，其次针对最新发展做了介绍，包括超透镜、隐身斗篷和光子晶体以及超材料制备等。最后，本文对超材料研究的未来发展方向与趋势作了详细讨论。 关键字：超材料负折射完美透镜光子晶体材料制造 1引言 在3000多年前，人类就掌握了制铜技术，并学会了制作较高性能的铜合金的方法。在2000多年前人们又掌握了炼铁技术。在20世纪六十年代，半导体材料飞速发展起来。人们在利用这些材料基本是在原子与分子级别。近些年来纳米技术又飞速的发展，在纳米尺寸级别人类又有很多重要的发现与发明。 超材料是一种与上面所介绍的材料都不一样的全新材料。它提供了一种可以让人们随心所欲的制造具有许多特殊物理性质的全新思路与方法。超材料的基本设计思路是以某种具有特殊功能的人工结构为基础。例如，材料中所呈现的一些物理性质往往和材料结构中的关键物理尺度有关，一个最直观的例子是晶体。晶体是自然界中物质的有序结构的一个重要形式，它的有序主要存在于原子层次，正是由于在这个尺度上的有序性调制，使晶体材料形成了一些无定型态所不具备的物理特征，上面所提到的半导体材料中最重要的单晶硅即是一种典型的晶体。由此类比，在其它层次上的有序排列则可能获得一定程度的自然界中的材料所不具备的物理性质.。因此，人们可以通过各种层次的有序结构实现对各种物理量的调制，从而获得自然界中在该层次上无序或无结构的材料所不具备的物理性质。 2 基本原理 1
单负超材料简介
单负材料具有一些特殊性质，因而受到广泛关注。他的双层结构可以有效成双负材料，且这种双层结构有许多有趣的性质：共振，透明，反常的隧道效应和零反射率。由单负材料构成的一维光子晶体能够形成一种具有较强稳定性的光子带隙，因而能够突破传统的衍射极限，实现次波长成像。含此类单负材料的多层结构体系不仅能够实现远距离成像，而且能够较大幅度地提高体系成像质量。 2010年，美国研究人员又由由超材料纳米线阵列开发出了一种新型纳米镜头，打破了衍射极限，获得了现有技术尚无法达到的所谓超高分辨率成像。此项研究成果发表在了2010 年的《应用物理快报》（ AppliedPhysics Letters ）上。 2011年，随着信息技术的快速发展,现代高新技术也都在向着更加精细的领域发展"尤其是对于高端纳米光学成像技术应用,如光学光刻!共聚焦显微技术!高密度光存储!纳米激光加工!生物显微成像以及生命科学等领域,常常需要有亚波长(纳米量级)的分辨本领" 然而,由于衍射极限的存在,传统光学成像技术己经不能满足实际的要求"本文基于突破传统衍射光学极限的亚波长超分辨率成像技术一双曲透镜技术,通过将传统的提高光刻分辨率技术一相移掩膜技术(phaseshiftmask,PSM)与超级透镜技术相结合,提出了一种超分辨率纳米光刻成像系统"理论分析和数值仿真表明此系统能够大幅度提高现有光刻技术的分辨率"同时,基于一种具有天然材料所不具备的超常物理性质,且其特性可根据需要人为调节的超常材料,设计了一种可实现亚波长聚焦的喇叭聚光镜"这种能够工作在不同工作波长下,聚焦光斑可以达到几个纳米的超透镜将有着重要的潜在应用价值。 另一方面，声波超材料是一种人造复合材料,通过设计组分单元的谐振,在波动载荷(声波)作用下,其在宏观等效意义匕具有传统材料所不具备〔或很难具备)的物理属性:如负等效质量、各向异性等效质量以及负等效模量等。大多数声波超材料都是负折射率超材料。声波在该类材料中传播会表现出奇异的频散特性。研究发现.经过特殊设计的声波超材料可以突破衍射极限的限制,实现声波高分辨率成像.在生物医学成像、上业无损检测等领域具有厂阔的应用前景。 基于质量弹簧模型,负等效质量的形成机制和频散特征【l],深入研究发现了服从Drude模型的声波超材料,其等效质量在某一截止频率以下均为负值【21】。在此基础上,设计出了由金属网格填充软橡胶组成的超材料,实腾测试证明在负质量频带具有良好的低频隔声性能[3]。接着，研究零质量现象，发现在其对应频率声波具有全透射功能,并且对凋落波也具有传输作用。基于该特性，设计出了具有各向异性等效质量的平板声透镜【4〕,其中平行和垂直界面方向的等效质量分别为无穷大和零,无穷大质量用于将凋落波转化为行进波,数值模拟结果表明所设计超材料透镜可以分辨物体的亚波长信息。进一步研究发现,在该模型中还存在共振遂穿效应,在遂穿频率也具有超分辨成像功能〔5〕。实验上,设计并制备出了基于共振遂穿效应的多孔平板透镜,与基于法布里一波罗共振机理的透镜相比,成像频率可以通过内部孔洞的孔径比调节.而与透镜厚度无关,实验结果表明所制备透镜可以分辨间趾小于衍射极限的两个声源。 近几年来，对于超材料在隐身领域的研究也受到了广泛的关注［3- 5 ］。由于超材料可实现与以前常规材料截然不同的折射，因此人们对隐身的研究注意力也从单纯的吸波研究扩展到了控制电磁波的绕射从而达到隐身的目的。基于
浅谈负折射率材料的研究进展 毛慧娟
学号20095040067 本科毕业论文 学院物理电子工程学院 专业物理学 年级2009级 姓名毛慧娟 论文题目浅谈负折射率材料的研究进展 指导教师张新伟职称讲师 2013年04月26日
目录 摘要 (1) Abstract (1) 1引言 (1) 2 负折射率材料的异常物理性质 (2) 2.1 群速方向和波矢方向相反 (2) 2.2 负折射现象 (2) 2.3 逆多普勒效应 (2) 2.4 逆Cerenkov辐射 (3) 3 实现负折射率材料的方法 (3) 3.1 双负介质实现负折射 (4) 3.2 手征介质实现负折射 (5) 3.3 光子晶体实现负折射 (6) 4 负折射率材料的应用 (8) 4.1 负折射率材料在军用雷达天线和通信器件中的应用 (8) 4.2 负折射率材料在隐身技术领域中的应用 (10) 4.3 负折射率材料在超灵敏探测仪器中的应用 (11) 4.4 负折射率材料提高空间望远镜分辨率的可行性 (12) 5 结语 (13) 参考文献 (13)
浅谈负折射率材料的研究进展 学生姓名：毛慧娟学号：20095040067 单位：物理电子工程学院专业：物理学 指导老师：张新伟职称：讲师 摘要：本文在介绍负折射率材料的国内外研究发展历程及其异常物理特性的基础上，介绍了负折射产生的原理，阐述了实现负折射率材料的3种主要方法，指出负折射率材料在军用雷达、天线技术、通信系统及器件、隐身技术、超灵敏探测等方面具有极大的应用价值和前景。 关键词：负折射率材料；左手介质；纳米；研究进展 Discussion on the research progress of negative refractive index materials Abstract：after the introduction of the development process of negative refractive index materials on the earth and its unusual physical properties in this paper，I introduce the principle of negative refraction and three main approaches to achieve negative refraction materials，pointed out that negative refractive index materials in militarythe radar antenna technology，communications systems and devices，stealth technology，ultra-sensitive detection has great application value and prospect. Key words：Negative refractive materials；left-handed material；Nano research progress 1引言 近几年，一种称为负折射率系数介质的人工复合材料在理论与实验上引起了广泛的关注。1968年，前苏联物理学家Veselago提出了“左手材料”的概念，这种负折射材料具有负的介电常量与磁导率，那么电矢量，磁矢量和波矢之间构成左手系关系，这区别于传统材料中的右手系[1]。由于自然界没有介电常量和磁导率同时为负的材料，并且也没有相关的实验验证，负折射材料没有得到长足的发展。1996年，英国的Pendry指出可以用细金属导线阵列构造介电常数为负的人工媒质，1999年又指出可以用谐振环阵列构造磁导率为负的人工媒质[2]。2000
超材料
超材料的发展及国内外研究现状 目前，国际上学者将由人工设计的、具有特异电磁性质的结构安排制备形成的材料统称为超材料(metamaterial)。近年来人们对这种超材料特别感兴趣，原因在于这种超材料结构的周期长度远小于电磁波波长，有利于器件的小型化和集成化，这是普通的光子晶体无法比拟的。超材料有单负材料(single-negative materials：SNG)和双负材料(double．negative materials：DNG)两种。把介电常数和磁导率均为负的材料称之为DNG，即左手材料(1eft．handed materials：LHMs)；把介电常数和磁导率仅有一者为负的材料称之为SNG。相应地将同时具有正介电常数和正磁导率的材料称为双正材料(double positive materials：DPS)即右手材料(right handed materials：RHMs)。 左手材料的基本理论及国内外研究现状 介电常数ε和磁导率μ是用于描述物质电磁性质的最基本的两个物理量，它们决定了电磁波在物质中的传播特性。对一般电介质而言，介电常数ε和磁导率μ都是非负的常数。由Maxwell方程组可知，在ε和μ都为正值的物质中，入射电磁波的电场、磁场和波矢(相位传播方向)三者构成右手关系，这样的物质被称为RHMs。迄今为止在自然界见到的都是RHMs。然而，前苏联物理学家Veselago[1]在1968年提出，当ε和μ同时为负值时，Maxwell方程依然成立，电磁波仍然可以在这种“双负材料”中传播。由于在这种材料中电场强度、磁场强度与波矢之间构成左手关系，故Veselago称这种材料为左手材料(LHMs)同时也称双负材料(DNG)。LHMs有时也被称为负折射率材料(negative inedex ofrefraction materials：NIR materials)。由于这种材料的介电常数和磁导率都是负数，折射率也是负的，电磁学理论与后来的实验结果都证实它有很多奇异的特性，比如负折