负折射率材料
负折射率介质
容1、量什更么大是的负分储折存射析媒率体及，；左手证性介明质 在某个频区Re[n(w)]实际上必须为负值．
前者只能工作在微波波段，而后者的工作波段可延伸到可见光和红外区域。
如果，我们μ<0,ε<0,就得到负的和，亦即负电磁能量。
对于极性分子的介质，1912年，德拜给出，
负折射效应可以说是非均匀媒质对电磁波的复杂集体响应行为的等效表观现象。
在负折射率材料中，电场、磁场和波矢方向遵守
“左手”法则，而并非常规材料中的“右手”法则。 当光从具有正折射率的材料（常规材料）入射到具有 正折射率材料的界面时，入射光线和折射光线分别位 于法线两侧，这是我们所熟知的结果。而当光从具有 正折射率的材料入射到具有负折射率材料的界面时， 光的折射与常规折射相反，入射光线和折射光线处在 于界面法线方向同一侧，也就是说，在这种材料中， 光出现了异常传播，出现了扭曲的现象。
n 1 M Lorenz方程．2 4
n2
2
3
NAa0
对比上式， n2 r ， 其应用范围仍为非极性分子
对于极性分子的介质，1912年，德拜给出，
rr12M 43NA[a03uk2T]
式中u为电偶极矩，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度．上式说明， 静电场中总极化由诱导(变形)极化和取向极化两种作用组成．如 分子u=0，德拜方程简化为Clausius-Mosotti方程．但如外场为交 变电场，要考虑极性分子的弛豫时间的影响，这时该式改为
分析了电流源向一维左手化媒质(LHM)辐射的情况(该 等效的负折射媒质电路可以有效减少器件的尺寸，拓宽频带，改善器件的性能。
可见，弛豫时间的影响是由取向极化率的改变而实现的．
媒质的介电常数和导磁率均为负)，对n(w)函数的深入 负折射介质的一个重要应用是透镜成像。
负折射率材料
左手材料中，电磁波的相速度和群速度方向相反。
波长(λ) 和波矢 (k)
k1 = 2π/λ1
1
1
sp eed
sp eed
c n1
1
2
2
c n2
2
k2 = 2π/λ2
c = light velocity in vacuum n1,2 = refractive indices
相速度和群速度
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.
Metamaterials, LHM)
k H E
k E H
E
k S H k
E
S H
> 0, > 0 (Right-handed)
< 0, < 0 (Left-handed)
左手材料又称为负折射率物质 由于电磁波能流的方向取决于玻印廷矢量S的方
____ is for the LHM data. ………… is for the regions where the index is expected to be either outside our limit of detection (|n|>3) or could not be reliably determined experimentally. ____ is the real component ……. is the imaginary component of the theoretical expression for the refractive index
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
负折射率光子晶体1
a
•图5(a)一(d)给出了当n=5,na=-1.5，nb=1.46， 固定ʌ，改变d，使d/ ʌ分别为0.58、0.78、 0.88、0.92时三角形结构的带隙图。从图5(a) 一(d)可以看出，随d/ ʌ值的增大，传播线保持 不变。带隙数量和宽度在d/ ʌ =0.88时达到最 大，与传播线βʌ = nak ʌ的交叠部分也最多。因 此合理选择负正介质比d/ʌ对带隙效应导光具 有重要作用。
• 3. Ω结构 • Smith结构和对称环结构损耗很大，浙江大 学专门研究左手材料的科研人员发现Q形状 的金属细线能够同时产生小于零的磁导率 和小于零的介电常数，并理论上构造出Q结 构左手材料。
• 4. S型材料 • 陈红胜等人通过改变SRR结构的形状，发明 了新的S型谐振结构，它的磁导率的小于0 频段和等效介电常数的小于0频段能够相对 宽松重叠，只利用S型谐振器就组成了负折 射率材料。
不同ε和μ下的材料。
负折射率材料的分类
• 1. Smith结构 • Smith等人将SRR(Split-Ring Resonator)结构和 Rod结构相结合，构造出了一维负折射率材 料。一维表示一个方向的电场和磁场相互 作用，波矢就只能是朝一个方向。
负折射率材料的分类
• 2.对称环结构 • T．M．Gregorczyk等人在先人研究的基础上 提出并构造了对称环结构左手材料。其结 构单元是两个相同尺寸的开路环相称的放 置在x，y，z，3个方向上的空间坐标轴上。 周期单元都包含2个环结构和1个ROD结构， 对称环左手材料在8．2GHz-8．7GHz之间的 频率段，折射率为负值，中心频点在 8．5GHz左右。研究出的对称环结构比 Smith结构左手材料更能克服金属开路环的
• 图4(a)一(d)给出了当n=5，nb=1.46， d/ʌ=0.76，na分别为-0.79、-1.0、-1.5、-2.4 时三角形结构的带隙图。横坐标是归—化传 播常数βʌ ，纵坐 • 标是归—化频率(- kʌ)，传播线为βʌ = nak ʌ 。 n 随 • 值的增大，传播线和带隙总体向右下角 移动。带隙趋于平坦，宽度从窄到宽再窄， 与传播线 βʌ = nak ʌ的交叠部分也由少到多再 n 少。因此 过大过小对负折射的光子晶体 光纤导光都是不利的，需根据情况选择合 适的值。
左手材料-负折射率材料
借鉴自然界中的原子和分子结构，设计新型的人工原子和分子结构， 以实现更高级的左手材料功能。
多物理场调控材料
探索在电磁场、温度场、压力场等多物理场作用下，左手材料的性 能变化和调控机制，为新材料的研发提供理论支持。
技术创新与应用拓展
高效制备技术
研发新型的制备技术，实现左手材料的快速 、低成本、大规模制备，以满足市场需求。
引领科技革命
左手材料在通信、能源等领域的应用前景广阔，有望引领新一轮 的科技革命。
促进交叉学科发展
左手材料涉及物理学、化学、生物学等多个学科领域，其研究将 促进交叉学科的发展和融合。
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05 左手材料面临的挑战与解 决方案
材料稳定性问题
总结词
左手材料的稳定性问题是限制其应用的关键因素之一。
详细描述
左手材料在外部环境变化下容易发生结构变化和性能衰退，这会影响其负折射率的稳定性和可靠性。
制备成本问题
总结词
高昂的制备成本是阻碍左手材料广泛应 用的重要因素。
VS
详细描述
目前，左手材料的制备通常需要复杂的实 验设备和精细的工艺控制，这导致了较高 的制造成本。降低制备成本是推动左手材 料普及的关键。
应用领域
微波器件
利用左手材料的特殊性质，可 以设计出性能优异的新型微波
器件，如滤波器、天线等。
光学领域
左手材料在光学领域的应用前 景广阔，如光子晶体、光学隐 身等。
军事领域
由于左手材料具有反向的 Doppler效应等特性，可以应 用于军事雷达和隐身技术。
生物医学
左手材料在生物医学领域也有 潜在的应用价值，如医学成像
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。
负折射率材料
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1996, 76: 4773~4776.[3] J. B. Pendry, A. J. Holden, D. J. Robbins, and W. J. Stewart, Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., 1999, 47(11): 2075~2084.2001年Shelby等人将调介电常数和调磁导率的结构融合在一起，实验上证实了负折射率的存在。
有关负折射率材料
有关负折射率材料请不要从网上COPY那些到处都是的资料，谢谢。
1 负折射率材老一般都是什么成分，结构2 材料目前有哪些缺点3 改进的办法中国科学院网2005年7月12日报道近日，由中国科学院物理所张道中研究员领导的光子晶体研究小组与北京师范大学物理系的张向东教授合作，在负折射介质的理论和实验研究方面取得突破。
研究人员发现，十二重对称的电介质准晶光子结构也会出现负折射效应，而且在某些性能上优越于光子晶体负折射介质。
研究人员首先运用精确的多重散射方法计算了具有十二重对称性的准周期排列的三氧化二铝陶瓷圆棒构成的光子结构的透射谱，发现了光子带隙的存在。
这和周期排列的光子晶体结构十分类似。
进一步的计算发现，当频率处于带隙上头的光束通过一个直角棱镜的斜边时，发生了明显的负折射现象。
从入射角和折射角的数值，以及折射公式，可以推断出准晶光子结构的有效折射率的数值来。
研究人员随后开展了微波波段的实验测量，证实了理论预言。
在某些频率窗口，准晶光子结构的折射率可为理想值-1，而且空间色散小，接近各向同性材料。
这和十二重对称的准晶光子结构的高空间对称性是相符合的。
负折射介质的一个重要应用是透镜成像。
理论和实验均表明，所制备的准晶光子平板结构确实能够对从点光源发出的电磁波起会聚和成像作用。
而且，所成的像可在近场区域之外，像距随物距的增大而线性增大，这些特征和一个理想的折射率为-1的介质平板的折射和成像行为十分吻合，充分表明了所制备的准晶光子结构具有优良的负折射性质。
由于所用的电介质材料无吸收，可以预计，所研究的结构可以直截了当地推广到更加感兴趣的可见光和红外波段区域。
上述的结果已经发表在6月24日的Physical Review Letters 上[Vol. 94, 247402, 2005]。
目前，研究人员正在深入探索这些准晶光子结构出现负折射效应的深层次的物理根源。
据悉，近几年来，负折射介质由于其独特新颖的物理性质和诱人的应用前景而获得了国际学术界的广泛关注。
负折射
用，在未来战场上给技术落后一方带来灾难性后果。
第二，负折射率材料在超灵敏探测仪器中的应用
显微镜、放大镜等光学器件的制造一直被一条光学规律所限制：无论光学仪器的镜片多么精良，任何小于光的一个波长长度的物质都是无法观察到的。利用负折射率材料制成的透镜却能克服这个问题，制作成“理想”透镜[2引，它不仅和常规的介质一样能会聚行波，而且还能聚焦随距离增加快速衰减的衰减波。一般会聚透镜的工作原理是将透镜一侧的光源通过具有一定曲度的材料将光源的图像重新会聚于透镜的另一侧，根据Snell定律，一般透镜的解析度都受限于物体表面辐射源所散射出的消散波的损失，其值随着垂直表面的距离作指数衰减，在成
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，他们使一束微波射入铜环和铜线构成的人工介质，微波以负角度偏转，从而证明了负折射牢材料的存在。2002年7月，瑞士ETHZ实验室的科学家们宣布制造出三维的负折射率材料。这将可能对电子通讯业产牛熏大影响，相关研究成果也发表在当月的美国《应用物理快报》上。2002年底，麻省理工学院孔金瓯教授从理论上证明了负折射率材料存在的合理性，并称这种人工介质可用来制造高指向性的天线、聚焦微波波束、实现“完美透镜”、用于电磁波隐身等等。负折射率材料的前景开始引发学术界、产业界尤其是军方的无限遐想。
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。
负折射率材料的基础研究
参考内容
引言
随着科技的快速发展，新型材料不断涌现，为各个领域的发展带来了新的机 遇和挑战。其中，负折射率材料作为一种具有特殊性质的新型材料，引起了广泛 的。负折射率材料具有负的介电常数和磁导率，可以改变光的传播方向，具有潜 在的军事应用价值。本次演示将围绕负折射率材料及其军事应用展开讨论。
背景
结论
负折射率材料作为一种新型的人工材料，在军事领域具有重要的应用价值。 本次演示介绍了负折射率材料在军事领域的应用，包括制造隐身衣、高精度光学 元件和传感器、高性能吸波材料等。虽然负折射率材料目前还存在制备难度大、 成本高等问题，但随着科学技术的不断进步和优化，相信未来会有更加广泛的应 用前景。为了充分发挥负折射率材料的潜力，需要进一步深入研究其制备技术、 性能优化及其在军事领域的应用情况等问题。
2、液晶显示应用
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
随着负折射率材料的不断研究与开发，其应用领域也将越来越广泛。在光子 学方面，负折射率材料将进一步应用于光子晶体、光子集成电路等领域，推动光 子技术的发展。在液晶显示方面，通过将负折射率材料与液晶分子相结合，可以 提高显示效果和用户体验。此外，负折射率材料还可以应用于隐身技术、电磁屏 蔽、吸波材料等领域。
谢谢观看
结论与展望
本次演示通过对负折射率介质特性的实验研究，验证了光在其中的传播规律 和电磁场分布等特性。然而，由于实验条件的限制，我们尚未能够对不同类型和 性质的负折射率介质进行详细研究。未来，可以进一步拓展对负折射率介质特性 的研究，如探索不同材料和环境因素对其特性的影响，以及负折射率介质在光学、 量子信息、电磁隐身等领域的应用前景等。开展更加精确的实验测量和理论研究 也是未来研究的重要方向。
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。
负折射率材料探究
向)。现在把检测 器安装在可旋 转的架子上(1.5 °步进)，这 时试验人员就 可以对RHM，LHM
分别测量其接收电平与角度( )的关系，并作比较。图4是取频率f=10.5GHz时接收电平与折
射角的关系，为了方便，把两种样品的峰值电平都归一化为1。结果是，对于常规材料(RHM)
的Teflon，峰值发生在27°处，对应n＝1．4 0．1;对于LHM系统，峰值发生在-61°处， 对应n＝－2．7 0．1j．可见，在LHM情况下、折射角与BHM相差88° (接近π ／2即90度)．故
平方根。由于µε 仍为正值，保证了波的传播；而n 取负值，符合能量守恒定理。 2、利用平均功率大于0进行证明： 假设一块无限大的金属薄平板插在无限大的负折射率材料中，金属薄平板上通有角频率为w 的时变电流，电流密度为J。并且注意J的方向与负折射物质的金属线平行，金属薄平板的法
向与开口金属环所在的平面垂直，如下图所示，时变电流产生波矢量为k的平面电磁波，由 麦克斯韦方程组：
处的电容，L 为 SRR 环的电感，由于有很多束的 SRR 组合在一起，单束的 SRR 环中的磁
通量必定有来自于其他 SRR 环的磁通量，为此要引入一个互感M ,因此下面的分析，就
是要先用器件的参数来表示出 L 和 M，然后求得磁导率的表达式。
给所有的 SRR 环一个交变的磁场 H 0 ，则在 SRR 环中将会产生绕环的电流假设一束 SRR
11 sin ,
k
t x
22 sin
;因此得到：
11 sin 22 sin ，即 n1 sin n2 sin 。整个证明过程与在正折射率介
质中并无太大差异，可见Snell 定律在负折射率介质中仍是成立的。有所区别之处在于对于
《负折射率介质》课件
欢迎来到《负折射率介质》PPT课件！在本课程中，我们将深入探讨负折射率 介质的定义，特点，应用，制备方法，光学器件中的应用以及未来发展。准 备好迎接新的知识吧！射率（refractive index）的材料。在这样的材料中， 光线会以非常奇特的方式传播，这种特性是独特而引人注目的。
负折射率介质的特点
1 反常折射
负折射率介质可以使光线 在进入介质时发生反常折 射，从而改变传统光学规 律。
2 逆向传播
负折射率介质中的光线能 够逆向传播，即光线可以 像倒放的影像一样反向传 播。
3 折射率与波长无关
负折射率介质的物理特性 使其折射率与入射光的波 长无关，这在光学器件中 有着重要的应用价值。
纳米加工技术
2
率结构。
利用纳米加工技术精确控制介质的结构
和性质。
3
成核与生长
利用成核和生长过程形成负折射率介质。
负折射率介质在光学器件中的应用
透镜
光纤传输
负折射率介质可以用于制造透镜， 提高光学器件的性能和清晰度。
负折射率介质可以用于改善光纤 传输的效率和信号质量。
光子晶体
负折射率介质的特性可以应用于 光子晶体的设计和制备，提高光 学器件的性能。
负折射率介质的应用
光学隐形衣
负折射率介质的特性可以应用 于光学隐形衣的制作，实现隐 藏物体的目的。
超透镜
负折射率介质可以用于制造超 透镜，使其能够实现超分辨率 成像。
光波导
负折射率介质在光通信领域有 着广泛的应用，可以用于光波 导的制备和信号传输。
负折射率介质的制备方法
1
自组装技术
通过将材料在溶液中自组装形成负折射
负折射率介质的未来发展
neg玻璃折射率
neg玻璃折射率1. 引言光学是研究光的传播和相互作用的科学领域，而折射率是光在介质中传播时的一个基本参数。
折射率描述了光在不同介质中传播时的速度变化情况，是光学研究中一个重要的物理量。
玻璃作为常见的光学材料之一，其折射率对于许多应用具有重要意义。
在实际应用中，有时我们需要调控玻璃的折射率以满足特定需求。
其中，neg玻璃就是一种具有负折射率特性的材料。
本文将详细介绍neg玻璃折射率相关内容。
2. neg玻璃简介neg玻璃（Negative Index Glass）是一种特殊材料，其具有负折射率特性。
正常情况下，当光从一个介质进入另一个介质时，由于两个介质中光速度的不同而发生折射现象。
然而，在neg玻璃中，当光从空气等正常材料进入neg玻璃时，它会出现与常规材料相反的折射现象，即向与法线相反的方向弯曲。
neg玻璃的负折射率特性使得它在光学器件设计、超材料制备等方面具有广泛应用前景。
通过控制neg玻璃材料的组成和结构，可以调节其折射率，进而实现对光的传播和操控。
3. neg玻璃折射率的影响因素neg玻璃的折射率受多个因素影响，下面将介绍其中几个主要因素：3.1 材料成分neg玻璃的折射率与其成分有着密切关系。
通过调节不同元素或化合物在材料中的含量比例，可以改变neg玻璃的折射率。
例如，在氧化硼基负折射率材料中，通过改变硼含量可以实现对折射率的调控。
3.2 结构参数材料中微观结构参数也会对neg玻璃的折射率产生影响。
例如，在具有周期性孔隙结构的负折射率材料中，孔隙大小和排列方式会直接影响其整体折射率。
3.3 外界条件温度、压力等外界条件也会对neg玻璃的折射率产生影响。
在一些特殊应用中，需要考虑neg玻璃在不同温度或压力下的折射率变化情况。
4. neg玻璃折射率的测量方法测量neg玻璃的折射率是研究和应用该材料的重要手段之一。
下面将介绍几种常见的测量方法：4.1 光束偏转法光束偏转法是最常用的测量折射率的方法之一。
负折射率材料特点及其应用概述
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。
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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，因此，Veselago的预言未能得到科学界的重视，到了20世纪90年代，Veselago 的猜想几乎被人遗忘。
直到20世纪90年代中后期，英国物理学家John B. Pendry的工作使韦谢拉戈物质的研究出现了柳暗花明的前景。
Pendry将metamaterials的思想（尽管当时metamaterials一词未被使用）引入了负介电常数和负磁导率的材料的构造。
他的一个创新性思路是，一种材料，不仅仅只认为是一个均匀的块体，它还可以拥有一些细小的单元。
换句话说，材料的电磁特性可以从这些小结构单元中获得，这些小结构合力产生了原本不可能出现的效应。
基于这样的思想，Pendry先后提出了可能具有负介电常数和负磁导率的结构单元。
在此基础上，美国科学家David R. Smith等人从实验上实现了这些结构单元的负折射。
Metamaterials一词，连同具有负折射的“左手材料”一起引起了世界科学界的关注。
“超材料”重要意义不仅仅体现在几类主要的人工材料上，也体现在它提供了一种全新的思维方法――这种思维方法对材料科学家来说是非常宝贵的，因为它为新型功能材料的设计提供了一个广阔的空间：昭示人们可以在不违背基本的物理学基本规律的前提下，人工获得与自然界中的物质具有迥然不同的超常物理性质的“新物质”。
当然Metamaterials能在最近十年内异军突起，成为学术和工程界的研究焦点，不仅仅因为其巧妙的物理思想，也在于它已在多个相关实际应用领域显现出了巨大的应用前景。
2000年，Pendry提出通过Metamaterials实现电磁表面波倏逝波的放大，可以克服一直以来困扰传统光学的衍射极限问题，从而得到可以实现亚波长结构完美成像的超透镜（Superlense）。
这一思想在微生物成像，超高精度纳米光刻等领域的影响是巨大的。
从此，应用Metamaterials实现超透镜的研究方向因应而生。
2002年，法国科学家Enoch应用金属网格结构设计了一种超低折射率介质，并将其应用于微波天线，使得天线的方向性得到巨大提高。
文章应用简单的Snell 定理对其进行了很好的解释，从而激发了各国微波通信工作者对其巨大的兴趣。
应用Metamaterials思想设计高性能微波天线的全新领域从此诞生。
2006年，Pendry和Smith等人应用空间变换的方法，得出一个结论：可以通过设计折射率的分布来对物体实现隐身，即电磁屏蔽（cloak）。
同年，该思想就得到了微波实验的证实。
此结果一经发表，在科学界引起了巨大反响。
各国报道纷纷将其与哈利波特的隐身衣相比，2008年，Pendry也因该项成果被英国《新科学家》杂志评选为2008年8位科学英雄之一。
自06年超材料实现隐身技术的提出到目前09年，短短的3年时间内，这一领域的发展可以用突飞猛进来形容，声学波的clock，水波clock，乃至物质波的clock的思想被相继提出，一个全新的隐身技术领域正在逐步形成。
2、Metamaterials相关的重要文献应该说有关Metamaterials的重要文献有很多，我在这里仅对本人认为的具有奠基意义的文献作下列举：首先当属Veselago 68年发表的经典之作，在这篇文献中，负折射率的思想首次被提出，并对其性质做了一定的推导。
该作67年发表于俄语版的杂志，68年被翻译成英文。
该文献日前查到引用次数已达2985次，其原文在附录中。
[1] V. G. Veselago, The electrodynamics of substances with simultaneously negative values ofand μ, Sov. Phys. Usp., 1968, 10: 509~514.68年，超材料概念的提出并没有受到科学界的关注，近年来这一领域的兴起，其最大的功劳必然要归功于Pendry 分别在96年和98年发表的两篇文章，这两篇文章分别用两种不同的结构设计实现了复介电常数和复磁导率。
[2 J. B. Pendry, A. J. Holden, W. J. Stewart, and I. Youngs, Extremely low frequency plasmonsin metallic mesostructures, Phys. Rev. Lett., 1996, 76: 4773~4776.[3] J. B. Pendry, A. J. Holden, D. J. Robbins, and W. J. Stewart, Magnetism from conductors andenhanced nonlinear phenomena, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., 1999, 47(11): 2075~2084.2001年Shelby等人将调介电常数和调磁导率的结构融合在一起，实验上证实了负折射率的存在。
[4] R. A. Shelby, D. R. Smith, and S. Schultz, Experimental verification of a negative index ofrefraction, Science, 2001, 292:77~79.物理思想固然重要，但实际应用才是一个领域长盛不衰的源泉。
下面三篇文献分别列举了Metamaterials在超透镜、天线和电磁隐身三大应用领域的应用，可以说是这三个方向的经典奠基文献[5] J. B. Pendry, Negative refraction makes a perfect lens, Phys. Rev. Lett. 2000, 85(18):3966-3969.[6] S. Enoch, G. Tayeb, P. Sabouroux, N. Guérin, and P. Vincent, A metamaterial for directiveemission, Phys. Rev. Lett. 2002, 89(21): 213902-1~ 213902-4.[7] J. B. Pendry, D. Schurig, and D. R. Smith, Controlling Electromagnetic Fields, Science 2006, 312, 1780.3、可能的创新突破口或研究新起点Metamaterials作为近几年来发展起来的新兴学科，无论在学术理论上还是在工程应用上必然还存在许多亟待解决的问题。
首先就学术理论上考虑，早在本世纪初，Metamaterials的概念刚刚建立的时候，就受到了很多人的质疑，有人提出负折射这一概念本身就以原有的经典理论包括因果律存在矛盾。
直到09年，还有科学家专门写了一本书来讨论Metamaterials这一概念的提出是否真的必要。
虽然近年来，Metamaterials已基本被多数科研工作者认可，但以上的种种矛盾都预示着其在理论基础上仍存在许多值得进一步深入研究探讨的东西。
其次，在工程应用中，Metamaterials还有很多需要解决的问题。
第一，从微波频段向光频段拓展。
我们知道由于工艺加工条件的限制，以及现有结构的局限性，使得目前有关超颖材料的实验大多在微波波段。
虽然05，06年以来，也有一些新的结构被提出，并在光波段得到了一定的进展，但是这还远远不够。
第二，损耗问题。
由于超颖材料大多采用金属结构，而金属本身存在损耗问题，损耗问题是限制材料实际应用的一个最大阻碍。
第三，带宽问题。
就目前来说，由于复磁导率的实现通常采用谐振结构，而谐振结构的带宽通常是较小的，如何设计大带宽的结构材料，一直以来是困扰研究者的一大难题。
第四，新领域的拓展。
尽管超颖材料在完美透镜、高性能天线，以及物体隐身等领域显现了巨大的应用前景，并使得其成为近几年来的研究热点，但我们相信，超颖材料的应用绝对不会仅限于此，因此，如何拓展超颖材料的应用领域也是全世界相关科研工作者必须要思考的问题。
问题往往是一个学科前进的动力，也很可能是另一个学科的起点，因此，无论是现有的还是将来可能出现的问题，都将指引我们相关研究者前进的方向。
4、选题的的可行性分析对于一个新兴的学科方向，总是会让人激动又让人不安。
激动是因为可以走在世界科技研究的前沿，不安是因为对课题进展的担心。
透过这段时间的调研，使我对这一研究方向有了大概的了解，并被它全新的物理思想和巨大的潜在应用所吸引。
客观来说，Metamaterials的概念在近两年已基本被学术界所认同，并被公认为最优前途的科研发展方向之一，早在03，06年就已进入世界科研十大，08年再次被评为世界材料科学的十大进展之一。