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。