浅谈负折射率材料的研究进展 毛慧娟
负折射率材料的研究概述及其应用进展
负折射率材料的研究概述及其应用进展随着人们对负折射率材料的研究逐步深入，对其在日常生活中应用的探索也逐渐加深，使其物理特性得到了优化。
文章对负折射率材料的发展历史和其基本原理进行了简要介绍，同时介绍了负折射率材料在各个领域的应用。
最后总结认为设计并制作出符合应用条件的实际负折射率材料，从而在可见光波段实现负折射率是未来手性负折射率材料的重要发展方向之一。
标签：负折射率材料；负折射；左手材料Abstract：With the further study of negative refractive index materials，the application of negative refractive index materials in daily life has been gradually deepened，and its physical properties have been optimized. In this paper，the development history and basic principle of negative refractive index materials are briefly introduced. At the same time，the applications of negative refractive index materials in various fields are introduced. Finally，it is concluded that it is one of the important development directions of chiral negative refractive index materials in the future to design and fabricate the actual negative refractive index materials in accordance with the application conditions，so as to realize the negative refractive index in the visible light band.Keywords：negative refractive index material；negative refraction；left-handed material1 概述負折射率材料是在某一频段下折射率为负的新型超材料，其最早是作为一种理论假设被人所提出的。
负折射材料实验验证的研究进展
负折射材料实验验证的研究进展作者：杨洋李娇来源：《硅谷》2011年第13期摘要：负折射材料已成为近几年来物理学，材料科学，电子科学等交叉学科领域的研究热点。
首先介绍负折射材料的基本原理，并详细介绍近年来这类材料的仿真与实验研究。
关键词：负折射材料；负介电常数；负磁导率中图分类号：O441 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0710026－020 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[1]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。
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[2]，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[3]。
2000年美国的D.Smith等人[4]以铜为主的复合材料制造出了世界上第一块在微波波段等效介电常数和等效磁导率同时为负数的介质材料，从而证明了负折射材料的存在。
1 负折射材料的基本原理在经典电动力学中，各向同性均匀自由空间介质中，麦克斯韦方程组为：正弦时变电磁波波动Helmholtz方程为：其中，n为折射率；c为真空中光速。
和一般与电磁波频率有关，在不计能量损耗正常的情况下n、、均为正。
Helmholtz方程有波动解，由麦克斯韦方程推出平面电磁波关系：并且有如下关系：电磁波为横波，电矢量E、磁矢量H和传播方向矢量K相互垂直，满足右手螺旋关系。
如果电介质的介电常数或磁导率中的其中一个为负数，K无实数解；Helmholtz方程无波动解，说明电磁波不能在中传播。
而当电常数与磁导率都小于零时，Helmholtz方程有波动解，电磁波能在其中传播。
负折射率材料
First LHM
毫米尺寸
Two concentric split-ring resonators (SRRs), which be regarded as an electronic circuit consisting of inductive and capacitive elements, were predicted to give rise to μ′ < 0.
? 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。
The LHM sample consists of square copper split ring resonators and copper wire strips on fiber glass circuit board material. The rings and wires are on opposite sides of the boards.
、 、Euv 始Huv终Sv构成右手螺旋关系。
因此在左手材料中，（它的方向kv 代表电磁波相速的
方向）和 的方向相Sv反。
为负n 数? ，c 所? 以ck 这种
Hale Waihona Puke v?介质也被称为“负折射率物质” （Negative Index
Materials, NIM)
左手材料中，电磁波的 相速度和群速度方向相反。
主要内容
? 什么是负折射率材料 ? 负折射率材料的研究与进展
? 微波波段的负折射率材料的研究进展 ? 光波波段的负折射率材料的研究进展 ? 负折射率材料中短脉冲的研究进展
什么是负折射率材料
在经典电动力学中，介质的电磁性质可以用
负折射率材料的基础研究
负折射率材料的基础研究随着科技的不断进步，新型材料的研究与发展日新月异。
其中，负折射率材料作为一种具有特殊光学性质的材料，引起了科研人员和工程师们的广泛。
负折射率材料在光子学、液晶显示、声学等领域具有广泛的应用前景，为现代科技的发展带来了许多新的可能性。
然而，由于负折射率材料的特殊性质，仍存在许多挑战和问题需要解决。
本文将对负折射率材料的基本原理、应用场景、制备方法及其未来发展方向进行详细阐述。
负折射率材料是一种具有特殊光学性质的材料，其介电常数和磁导率均为负值。
这种材料的发现与研究，突破了传统光学理论的限制，为光学领域的发展带来了新的机遇。
实验研究和理论分析表明，负折射率材料的电磁波传播特性与常规材料截然不同。
在负折射率材料中，电磁波的传播速度会降低，且传播方向会发生反转。
这种奇特的现象，使得负折射率材料在光子学、声学等领域具有广泛的应用前景。
光子学应用在光子学领域，负折射率材料的应用具有重要意义。
由于该材料中电磁波传播特性的改变，使得光的传播行为发生变化。
例如，利用负折射率材料制造的透镜，可以实现常规透镜无法完成的成像效果，为光子学的发展带来了新的突破。
负折射率材料还可以应用于光子晶体、光子集成电路等领域，提高光子设备的性能和集成度。
液晶显示是一种广泛使用的显示技术，具有低功耗、重量轻、体积小等优点。
将负折射率材料应用于液晶显示中，可以显著提高显示效果。
利用负折射率材料的逆斯涅尔效应，可以实现图像的清晰度和对比度的提高，同时降低反射光的影响，提高液晶显示的视觉效果。
正文3：负折射率材料的制备方法、工艺和生产流程负折射率材料的制备方法主要有纳米制备技术、化学合成和生物制备等。
纳米制备技术包括纳米颗粒制备、纳米纤维制备等，通过控制纳米结构的尺寸和分布，可以得到具有负折射率的纳米材料。
化学合成是通过化学反应合成具有负折射率性质的材料，例如金属有机框架材料等。
生物制备则是利用生物分子的自组装和生物矿化等方法，制备具有特定光学性质的生物复合材料。
在太赫兹波段的负折..
在太赫兹波段负折射材料的基础研究一、负折射材料的研究进展负折射材料是指在一定的频段下同时具有负介电常数ε和负磁导率μ的特殊材料，入射波与折射波位于法线同侧。
1968年，俄罗斯物理学家V. G. Veselago发表了“介电常数和磁导率同时为负时物质的电动力学”的文章，提出了负折射材料这一全新概念。
但由于自然界中物质的介电常数和磁导率都是正的，他的论文长期未受到重视。
1996年，英国帝国理工学院的Pendryt教授和其它研究人员在理论上研究了周期性导线阵列和有缺口的环形共振器(Split Ring Resonators, SRRs)阵列的电磁性质。
发现周期性排列的金属线对电磁波的响应与等离子体对电磁波的响应行为相似，其介电常数为ε(ω)=1－ωp2/ω2，式中ωp为等离子体振荡的本征频率。
当ω<ωp时，可以使介电常数为负值。
SRRs电磁响应行为与磁性材料相似，尤其是该结构的有效磁导率μ(ω)=1－Fω02/(ω2－ω02＋iωΓ´)。
当ω0<ω<ωb时μ<0，其中ω0为SRRs的谐振频率，ωb=ω0<F−1；F确定了负磁导率的频带宽度，Γ´为损耗参数。
2000年，加州大学圣迭戈分校的D. Smith等人采用电路板刻蚀技术在GIO 纤维玻璃板正反面制作了铜SRRs和铜线，并周期性排列成结构，首次制造出了世界上第一块微波波段等效介电常数和等效磁导率同时为负的介质材料，从而证明了负折射材料的存在，该材料在微波段(10GHz以下)呈现负折射率性。
第二年他们又通过实验，首次观测到微波束在这种物质和空气的分界面上出现负折射现象，从而实验证明了构造负折射率物质是可能的。
2003年，《Science》杂志将“负折射材料”的研究列为当年的“年度十大突破”之一。
2006年，D.Schurig等人在《Science》上发表了一篇在微波波段用负折射材料实现隐身的文章。
以上为负折射材料研究几个标志性的进展，除此之外，很多学者对负折射材料也进行了大量的研究工作。
超材料与负折射材料的研究与应用
超材料与负折射材料的研究与应用近年来，超材料和负折射材料的研究与应用在光学领域取得了重大的突破与进展。
它们的出现不仅深刻地影响了光学设计的理论基础，也为光学元件的开发和应用提供了无限可能。
一、超材料的研究与应用超材料是一种人工构造的材料，其具有非常特殊的光学性质。
超材料的结构特点是由微观结构单元组成，这些单元的尺寸远小于照射波长。
超材料的出现使得我们可以自由地调控电磁波的行为，例如对光的折射率和色散关系进行精确设计。
这种能力为我们打开了设计和制造优化光学器件的新途径。
1.1 超材料的原理和分类超材料的原理基于人工构造的亚波长级别的等效介质。
通过精确设计结构的尺度和形状，我们可以有效地改变电磁波在超材料中的传播行为。
根据其结构和工作原理的不同，超材料可以分为负折射材料、超透镜、颜色滤波器等多个分类。
1.2 超材料在光学领域的应用超材料在光学领域的应用非常广泛。
其中，超透镜是一种利用超材料的特殊性质实现超分辨成像的设备。
与传统光学系统相比，超透镜的分辨率更高，可以突破传统光学系统的衍射极限。
此外，超材料还可以应用于红外光学、光场调控等方面，为实现更高效的光学效果提供了新的可能性。
二、负折射材料的研究与应用负折射材料是指其折射率为负值的材料。
与常规材料相比，负折射材料具有独特的光学性质。
通过合理设计负折射材料的结构，可以实现逆向传播的光线，即折射方向与入射方向相反。
这为我们提供了控制光的传播方向和聚焦能力的新思路。
2.1 负折射材料的特性负折射材料的特性体现在其折射率小于零的范围内。
负折射材料的出现打破了折射定律的限制，为光学设计和信息传输提供了全新的可能性。
通过利用负折射材料，我们可以实现超分辨成像、聚焦微观物体和超导波等重要应用。
2.2 负折射材料的应用负折射材料在光学通信、光医学和光子集成等领域有着广泛的应用前景。
例如，负折射材料可以用于实现超高分辨率的显微镜，其成像分辨率远超过传统显微镜的极限，可以观察到更小尺寸的微观结构。
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。
功能材料(负折射率材料)
实现负折射方法：
主要成分是铜 适用于微波波 段范围
负折射率超材料用于以新的方式控制电磁波。比如，天然物质的光学 和电磁性质通过化学来改变，而超材料通过单胞的几何排列来控制电 磁性质。单胞有序排列的线度小于电磁波的某一波长。人工的单胞对 波源的电磁辐射有响应。超材料对电磁波的总的响应比通常材料更宽 广。 通过改变单胞的形状、大小和构型，可以改变材料的电容率和磁导率， 由此控制电磁波的传输。电容率和磁导率这两个参数决定了电磁波在 物质中的波的传播。调控这两个参数可以使材料的折射率为负值或零， 而通常的材料的折射率为正值。超材料的性质依赖于人的预先设计， 其光学性质是透镜、平面镜和常规材料所不及。
负折射率材料扭曲光波Байду номын сангаас阻碍人眼看见所照物体 负折射率材料可使电磁波绕过目标实现隐身
负折射率材料
当光波从具有正折射率的材料入射到具有负折 射率材料的界面时，光波的折射与常规折射相 反，入射波和折射波处在于界面法线方向同一 侧。在这种材料中，电场、磁场和波矢方向遵 守“左手”法则，而非常规材料中的“右手” 法则。因此，这种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，能流方向与 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 具负折射率，这样的材料也被称作负折射率材 料。
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学号*********** 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 refractiveindex materialsAbstract：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 progress1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年美国的Smith等人以铜为主的复合材料制造出了世界上第一块在微波波段等效介电常数和等效磁导率同时为负数的介质材料，从而证明了负折射材料的存在。
2 负折射率材料的异常物理性质2.1 群速方向和波矢方向相反在普通介质中波矢量方向和电磁波的相位传播矢量方向总是相同的，即相速和群速方向一致，波矢量、磁矢量、电矢量始终构成右手定则。
但在负折射率介质中，波矢量和群速方向却正好相反。
2.2 负折射现象负折射是负折射率材料表现出来的最大特性，也是当今对负折射率材料应用研究的一个主要方向[3]。
自然界中，当入射光线穿过两种介质界面时会发生反射和折射现象，这种现象称为“正折射”，如图1所示。
若介质1为普通材料，而介质2为负折射率材料时，入射光线1和折射光线3位于界面法线同侧，且折射光线的能流S方向与波矢量K方向相反，被称为“负折射”。
负折射率材料的主要特点是改变了光的传播方向。
图1电磁波在正负折射率介质界面上的反射和折射2.3 逆多普勒效应在负折射率介质中，由于相速度和群速度方向相反，即能量传播的方向和相位传播的方向相反，频移情况呈逆多普勒效应。
如图2所示，在普通介质中探测器靠近光源时(发射角频率0ω为的电磁波)，探测到的频率会高于0ω，反之将低于0ω，而在负折射率介质中情况正好相反。
图2 两种介质中多普勒效应2.4 逆Cerenkov 辐射在真空中匀速运动的带电粒子不产生辐射电磁波，而当带电粒子在介质中匀速运动时会在其周围引起诱导电流，从而在其路径上形成一系列次波源发出次波。
当粒子速度超过介质中光速时，这些次波互相干涉，从而辐射出电磁波，称为Cerenkov 辐射。
普通介质中，干涉后形成的波前是一个锥面，电磁波能量沿锥面的法线方向向前辐射出去。
而在负折射率介质中，能量的传播方向与相速相反，辐射将背向粒子的运动方向发出，形成逆Cerenkov 辐射，如图3所示。
图3 Cerenkov 辐射3 实现负折射率材料的方法研究者在具有SRRs 和导线阵列基础上不断优化该实验，制备了各种微波段的负折射率材料，也有人采用电容和电感组合实现负折射，上述两种方法的原理都是通过设计材料使之产生电共振和磁共振使得介电常数和磁导率均为负实现负折射，称之为双负介质，由于光频段电共振和磁共振会产生很大的损耗，很难实现光频段负折射；此后人们寻求了一些新的方法来制备负折射复合材料，使之向光频段过渡，其中最突出的是手征材料和光子晶体材料。
3.1 双负介质实现负折射负折射率实现的传统方法是实现SRRs 和导线阵列的优化组合。
Pendry 指出周期排列的金属细线对电磁波的响应与等离子体(具有负相对介电常数)很相似，因为电磁场在金属细线上产生感应电流，正负电荷向细线两端移动，形成了感生电动势。
当电磁波的电场极化方向与金属线平行时起高通滤波作用，在低于电等离子体频率时其呈现负相对介电常数；尺寸远小于波长的导电开口谐振环，具有负的相对磁导率，因为开口谐振环受到微波磁场的作用能产生感应环电流，形成一个磁矩，在谐振频率处能形成负磁导率。
其满足下式：()()Γ+--=ωωωωωεi e p eff 22/1()()Γ+--=ωωωωωμi F m eff 2220/1式中：p ω是电等离子频率，e ω是电谐振频率，当频率位于两者之间时出现负介电常数。
F 为SRRs 的填充因子，0ω是SRRs 的谐振频率，m ω是磁等离子频率，Γ为损耗因子。
当频率位于0ω和m ω之间时，能产生负的磁导率。
通过设计可使频率处于既能产生负介电常数又能形成负磁导率的一个共同区域内，形成双负的负折射率介质。
Smith 等在上述方法的基础上，将导线阵列和SRRs 组合起来，分别激发电共振和磁共振，首次获得了波频段4.2－4.6GHz 介电常数和磁导率均为负的人工负折射率材料。
garkov 和KorayAydin 还分别设计了螺旋式和葫芦式单元结构负折射材料。
Grbic 等采用电容与电阻的组合实现了双负介质。
WangFu 等以独特的结构单元构成了双负介质，其最大的特点是把底层的玻璃基质换成了金属Au ，然后在上面放置一对Au 金属条，该设计能在红外波段49.2－60.7um 实现负折射。
近几年来，研究者把纳米科技应用到双负介质的设计中，分别实现了光频段的磁共振和电共振，但始终很难实现光频段负折射现象，直到双金属线的出现。
但由于其大损耗的原因，很难应用于实践。
Vladimir M.Shalaev 等采用电子束刻蚀技术，在玻璃基质上植人了周期排列的双金属线单元，结果得出该材料的折射率随入射光波波长的变化而变化，在 1.5um 处得到了负折射率绝对值的最大值n =-0.3。
Kildishev 等对双金属单元进行改进，进一步提高了负折射率绝对值，其最大值可以达到-2。
不仅如此，他们还采用一种新的方法得到了光频段双负介质：在玻璃基质上镀3层膜，分别为Au －32O Al －Au ，然后用电子束蚀刻技术在薄膜上形成周期性排列的纳米尺寸椭圆空洞，该设计能在光频段产生-0.2的折射率，但却未实现损耗的明显降低。
Dolling 等分别实现了1.5um 与1.4um 的负折射，并在前不久实现了可见光780nm 的负折射，其基本薄膜构成为Ag －2MgF －Ag 型，在这里用Ag 代替Au 是为了减少损耗，用电子束蚀刻法形成网状结构，该材料能够在可见光频段780nm 处产生-0.6的折射率，但是其虚部系数大于0.75，有待进一步降低损耗。
双负介质由两个共振产生负折射，共振必然产生能量损耗，这是无法避免的，因此不是只要把单元结构做得小就能解决的。
直接降低损耗的方法就是不由共振达到负折射，手征介质负折射不需要磁共振，光子晶体负折射两个共振都不需要，它们为负折射材料的合成开启了新的篇章。
3.2 手征介质实现负折射物体经过平移、旋转等任意空间操作均不能与其镜像重合称之具有手征性。
手征性在光学中表现为旋光。
在自然界中，葡萄糖、氨基酸、DNA 等均有手征性；也可以人工合成，通常是在基质中掺人尺寸远小于波长的螺旋状微结构。
Lindma 首次研究了随机排布铜螺旋对微波偏振的影响。
后来人们对手征介质中的两个本征极化波进行了深人的研究，Tretyakov 等的研究证明其中的一个本征波确实具有反常群速度性质，2004年Pendry 提出了采用手性介质与谐振电偶极子组合能实现负折射。
如果平面简谐波在无限均匀手性介质中传播，可由Maxwell 方程组得到以下的本构关系：E ik H B c οοεμμ+=式中：k 为介质的手征参数，c ε和c μ分别为手征介质的介电常数和磁导率，οε和ομ分别为真空介电常数和磁导率。
当真空中的光人射到手征材料时会观察到两束折射光，通过计算可得到右旋圆极化波的折射率为：k n c c -=οοεμεμ/从上式中可以看出，只要使右边的表达式为负值就能实现负折射，该表达式有k 、c ε和c μ3个变量。
增大k 或者缩小c ε和c μ都能实现负折射。
实际上手征参数k 很难增大，要使磁导率变得很小也有一定困难，所以往往采取降低介电常数的办法来实现负折射率。