负折射材料的研究进展论文

负折射率材料（Negative index materials)的介电常数和渗透率（Permeability)都是负的，导致负的折射率。由于这二个参数都是负的，这种材料又称双负材料。从术语表中，这种材料的名称有“左手介质”，”负折射率介质"和"向后介质“。光学材料中，如果介电常数和渗透率都是正的，光波在这种介质中向前传播；如二者都是负的，则光波向后传播。如二者有不同的极性，则波不传播。用数学表示，在坐标平面中，用介电常数表示水平轴，渗透率表示垂直轴，则在第二和第四象限中有（0，0）坐标。1968年Victor Veselago发表文章，理论上假设，介电常数和渗透率同时为负平面波的传播，在这样的材料中，他指出，相速度会与玻印亭向量（Poynting Vector)反平行。这是与自然材料波的传播相茅盾的。2000年和2001年，第一次证明有负折射率的人工材料出现。2007年已有许多研究组进行负折射率材料的研究实验。目前，已经证明，具有负折射率的材料只有人工结构的材料。

负折射现象是俄国科学家Veselago [1] 在1968 年提出的：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。直到本世纪初这种具有负折射率的材料才被制备出来[2]。这种材料由金属线和非闭合金属环周期排列构成，也被称为metamaterial。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。英国科学家Pendry 提出折射率为-1的一个平板材料可以作为透镜实现完美成像[3]，可以放大衰势波使成像的大小突破光学衍射极限。负折射现象实验和超透镜提出时引起极大的争议，因为这些概念违反人们的直觉。

负折射率（介电常数和磁导率同时为负）的问题是近年来国际上非常活跃的一个研究领域。当电磁波在负折射率材料中传播时，电场E、磁场B和波矢k三者构成左手螺旋关系，因而负折射率材料又称为左手性材料(left-handed materials)。Veselago 1968 年首次在理论设想了左手型材料。Pendry在1996年与1999年分别指出可以用细金属导线及有缝谐振环阵列构造介电常数ε和磁导率μ同时为负的人工媒质。2001年，Smith等人沿用Pendry的方法，构造出了介电常数与磁导率同时为负的人工媒质，并首次通过实验观察到了微波波段的电磁波通过这种人工媒质与空气的交界面时发生的负折射现象。尽管初期人们对Smith等人的实验有许多争论，但2003年以来更为仔细的实验均证实了负折射现象。产生负折射率现象有两类材料。一类材料是由于局域共振机制导致介电常数和磁导率同时为负，既材料具有有效的负折射率。这类材料又被称为特异材料（meta materials）。Smith等人的有缝谐振环阵列就属于特异材料。但是有缝谐振环阵列结构具有较大的损耗和较窄的负折射带宽，在应用中会受到许多限制。另一类材料是光子晶体，其本身并不具有有效的负折射率，但在某些特殊情况下光子能带的复杂色散关系会导致负折射现象。在光子晶体中，电磁波在周期结构中的Bragg散射机制起着主要作用。尽管局域共振机制和非局域的Bragg散射机制都会产生负折射现象，但两种机制各有特点。对于Bragg机制，人们已经了解的较为清楚，通过合适的光子晶体结构选取以及光子能带设计，可以得到所需的负折射通带。但Bragg机制要求周期结构的晶格常数要与能隙的电磁波波长相比拟，对微波波段将导致结构过大从而限制器件应用。另外，由于Bragg机制的非局域性，它对周期性结构的不完整性（如存在结构无序和缺陷）较为敏感。与Bragg机制相反，局域共振机制不要求周期结构的晶格常数要与能隙的电磁波波长相比拟，而且对无序和缺陷不敏感。但目前人们对利用局域共振机制设计负折射率材料的一些关键问题了解不够，例如如何增大负折射通带带宽、减小损耗等。提出另一种制备特异材料的方法，该方法利用在微波传输线中周期性加载集总电感-电容共振单元来实现有效负折射率。与Smith 等人的有缝谐振环阵列结构比较，周期性集总电感-电容共振结构不仅具有较小的损耗和较宽的负折射带宽，而且容易实现外场调控。在负折射率材料中，电磁波的相速度（波矢方向）与群速度（波印廷矢量方向）的传播方向相反，很多光学现象，诸如折射、多普勒频移、切伦科夫辐射、甚至光压等都要倒逆过来。突破媒质衍射极限的平面成像是负折射率材料的一个重要应用，这方面的研究引起人们极大兴趣。由于负折射材料在基础研究及应用方面的重要意义，它被美国《科学》杂志列为2003年十大重大突破之一。有关负折射率材料的研究目前正在从深度和广度两个不同的层面迅速展开，许多新奇的理论与实验结果不断出现。以下仅列举与本申请书相关的3个方面新进展。（1）有关光子在负折射率材料界面与表面的奇异传播行为的数值模拟结果发现，光子从正折射率材料向负折射率材料传播时，在界面上反射光与折射光并不是同时出现，而是反射光先出现，折射光经过一个称之为“电容充电”过程后再出现。类似的“电容充电”在光子势垒隧穿过程中也存在，但两者之间的是否有联系目前不清楚。（2）有关含负折射率材料光子晶体的奇异输运行为发现，由正、负折射率材料组成的一维光子晶体中存在零平均折射率（n=0）能隙。该能隙不同于通常的Bragg能隙，即能隙的位置与晶格大小无关而且无序的影响很小。这方面的研究工作很活跃，将会拓宽人们对复杂人工结构中光子输运行为的认识。（3）利用局域共振机制设计负折射率材料。现有的负折射率材料是建立在局域共振导致介电常数和磁导率同时为负（又被成为双负性材料）的基础上，提出一种新的机制来形成负折射率材料，即利用介电常数为正而磁导率为负（或介电常数为负而磁导率为正）的单负性材料单的交替周期性结构来实现有效负折射率。最近的研究表明特殊周期性集总电感-电容共振结构可以实现单负性材料，这方面的研究不仅使得负折射率材料的实现方式更为多样化，而且将加深人们对形成负折射率机制的认识。