負折射率材料的研究概述及其應用進展

宋佳

摘 要：隨著人們對負折射率材料的研究逐步深入，對其在日常生活中應用的探索也逐漸加深，使其物理特性得到了優化。文章對負折射率材料的發展歷史和其基本原理進行了簡要介紹，同時介紹了負折射率材料在各個領域的應用。最后總結認為設計并制作出符合應用條件的實際負折射率材料，從而在可見光波段實現負折射率是未來手性負折射率材料的重要發展方向之一。

關鍵詞：負折射率材料；負折射；左手材料

中圖分類號：O734 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）13-0180-02

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 material

1 概述

負折射率材料是在某一頻段下折射率為負的新型超材料，其最早是作為一種理論假設被人所提出的。1968年，V.G.Veselago第一次提出負折射率介質這一假設，這種介質能夠同時具有負的介電常數和磁導率[1]。遺憾的是Veselago提出的理論始終未得到證。1996-1999年，J.B.Pendry利用金屬線陣列得到負的介電常數，同時利用開口環共振器陣列能夠獲得了負的磁導率，他由此進一步將周期遠遠小于工作波長的金屬線陣列與開口環共振器陣列相結合最終得到了負折射率材料[2-4]。至此學界開始認識到負折射率材料存在的可能性。2000年D.R.Smith等人使用以銅為主的復合型材料人工合成制作出世界上第一塊在微波階段內具有負的等效介電常數和負的磁導率的介質[5]。2001年Shelby等人利用已有的負折射率材料

創造性地制造出一種棱鏡，首次從實驗角度證實了負折射現象的真實存在，并由此實驗證明了當光線入射到負折射率介質表面時，折射光線與入射光線分布在分界面法線同一側[6]。2003年，愛德華州立大學的S.Foteinopoulou也發布了介質為光子晶體的相關負折射理論的仿真研究結果，至此負折射率的實驗陸續展開，負折射的概念才被世人廣為接受。盡管人們所假象的“完美透鏡”已經被證實不可能存在，但能夠突破衍射極限成像的“超級透鏡”是極有可能存在的，同時這一年在負折射率材料的設計制備上也取得了突破性進展，這些成果使負折射率材料被《Science》雜志評選為2003年度自然科學十大創新性研究進展之一。此后很長一段時間科學界進入了對負折射介質相關領域包括其性質、制備、應用等諸多方面的研究高潮。尤其是在最近幾年來，左手材料的研究在理論和應用上都有著顯著成績，并且逐漸改變著我們的生活。

2 負折射率介質基本原理

在介質中傳輸的電磁波必須滿足波動方程，該方程與電磁常數和電磁波參量相關聯，Helmholtz方程：

由上式可知，在負折射率介質中電磁波的波矢量K、電場強度E及磁場強度H與常規介質一樣，三者均是互相垂直的，然而不同的是常規介質中的E、H和K三者滿足的是右手螺旋關系。但是負折射率介質中的E、H和K之間呈左手螺旋關系。所以人們也常把介電常數和磁導率同時為負數的介質稱為左手介質。

3 負折射率介質的應用進展

3.1 負折射率介質應用于天線

負折射率介質應用于天線覆層時其工作原理與光學領域的凸透鏡極為相似，電磁波在其中傳輸時散射特性被束縛，只能在垂直方向附近小范圍內傳輸，其他方向傳輸會被限制。通過適當地選擇負折射率介質覆層，將對完善貼片天線的方向性起到關鍵作用。

法國Fresnel Institute的工作人員利用銅片制作了metamaterial介質系統，其將發散的電磁波匯集在一個狹窄的矩形內，很好地改善了天線的定向輻射特性。Burokur等人針對負折射率介質對微帶貼片天線性能的影響進行了研究分析，發現利用左手材料覆層可提高天線的聚焦性和方向性，增益明顯提高了2.8dB，改進了天線的性能。另一方面天線基板可采用左手材料與右手材料的復合材料，能夠很好的抑制天線邊沿輻射，將天線陣元之間的干擾降低，從而增強天線方向性。Bacarelli從理論方面推算討論了基板的散射方程，給出了用負折射率介質作為天線基板抑制表面波TE模、TM模的條件。

3.2 負折射率介質用于超薄雷達吸收

二維的平面負折射率介質在某些頻段內會出現高阻抗表面的特性，Engheta利用此特性設計出一種對電磁波有較強吸收的超薄材料。原理為將電阻載入到高阻抗表面，這樣整個表面便會具備純阻性的表面阻抗，若調整載入的阻值能夠令表面阻抗與空氣中的波阻抗相近。該結構能夠很好的吸收垂直入射的電磁波，對于其他斜入射電磁波盡管依然存在一定程度反射，但反射波也并非按原路返回，因此這種材料表面對電磁波的后向散射截面很小，可作為雷達吸波材料。

4 結束語

負折射率介質的出現在理論上和應用上都開辟了一個嶄新的研究領域，隨著研究日漸深入，負折射率介質在微波、太赫茲波、紅外線及可見光波段已經被證實，并進一步展開應用領域的研究和探索，現在已經能夠將負折射率材料運用到電磁隱身、信息存儲、移動通信等諸多日常領域。

值得注意的是左手材料研究領域里最重要的難點是設計并制作達到理想應用條件的實際材料，現在的研究大多停留在實驗所用的樣品且都離不開金屬線和環，主要在微波階段。隨著人工光子晶體結構研究的迅速發展，這類負折射率介質完全有可能進入可見光的范圍。可以預想到制造出光子晶體結構的負折射率材料具有廣闊的應用發展前景。如：根據負折射率介質的反常折射特性制作集成電路里的光引導元件；已制作出雙向光波導耦合器件，有望設計出具有更高分辨率的新型光學元件，使之在光學密度存儲和加工等方面大規模運用。負折射率介質更深的應用前景正在探索之中，相信不久的將來負折射率材料的應用將會涉及到我們日常生活的方方面面。

參考文獻：

[1]Veselago V G. The Electrodynamics of Substances with Simultaneously Negative Values of ？著 and μ[J]. Soviet Physics Uspekhi， 1968，10（4）：509.

[2]Pendry J B， Holden A J， Stewart W J， et al. Extremely low frequency plasmons in metallic mesostructures[J]. Physical Review Letters， 1996，76（25）：4773.

[3]Pendry J B. Low frequency plasmons in thin-wire structures： a commentary[J]. J Phys Condens Matter， 1998，28（48）：481002.

[4]Pendry J B， Holden A J， Robbins D J， et al. Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena[J]. IEEE Trans.microw.theory Tech， 1999，47（11）：2075-2084.

[5]Smith D R， Padilla W J， Vier D C， et al. Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity[J]. Physical Review Letters， 2000， 84（18）：4184.

[6]Shelby R A， Smith D R， Schultz S. Experimental Verification of a Negative Index of Refraction[J]. Science， 2001，292（5514）：77-9.