负折射材料实验验证的研究进展
手性超材料研究进展
手性超材料研究进展钟柯松 2111409023 物理1. 引言超材料是有特殊电磁性质的人造结构性材料，其中一个典型的性质就是负折射率。
第一种负折射率材料1两个部分组成：一个是连续的金属线，它来实现负介电常数2，另一个是开环谐振器，来实现负的磁导率3。
在同时实现复介电常数和负磁导率的时候，负折射率就是实现了。
后来，人们大多数以这个原则4-5来设计负折射率材料。
虽然负磁导率在微波段很容易实现，但是在光频区域却极其困难7,8。
与此同时，Pendry9，Tretyakov10,11和Monzon12等人从理论上提出了另一种利用手性实现负折射率的途径。
而手性材料层作为完美透镜也从理论上实现了9-13。
在这些报告中，Pendry提出了一种3D螺旋线结构来实现负折射率的手性超材料9。
Tretyakov等人则在理论上研究了在手性和偶极粒子手性复合材料中得到负折射率的可能性11。
理论表明，负折射率是可以在以3D螺旋对称为晶格的金属球超材料中可以得到14。
同时也表明，周期上的手性散射是3D和各向同性负折射率的原因15。
实际上，Bose曾经在1898年利用螺旋结构研究了平面偏振电磁波的旋转16。
Lindman也是研究微波段人造手性介质的先驱17。
最近，Zhang等人在实验上实现了一个3D手性超材料在THz波段的负折射率18。
Wang等人则在微波段同时实现了3D手性超材料的负折射率和巨大的光学活性和圆二色性19,20。
但是，这些提到的3D手性超材料都很难构建。
同时，平面手型超材料显示了光学活性也被报道了21-24。
这里需要指出的是，平面手性结构是正真的3D手性结构是不同的。
Arnaut和Davis第一次把平面手性结构引入到了电磁波的研究中25,26。
一个结构如果被定义为手性结构，那么它应该是在任何平面是没有镜面对称的，然而，一个平面结构被认为是手性的，则它是不能和它在该平面上的镜像重叠的，除非它不在这个平面上。
实际上，一个平面手性结构还是和镜像镜面对称的。
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
光子晶体和负折射介质材料
光子晶体和负折射介质材料中国科学院物理研究所・李志远 张道中一、负折射介质的历史和现状 近年来,以负折射介质为代表的新型人工电磁介质引起了人们越来越广泛的关注。
负折射介质指的是介电常数和磁导率同时为负的介质,这个概念最初是由前苏联物理学家Veselag o提出的[1]。
他指出,当介质的折射率小于零时,光在常规材料(正折射率介质)和负折射介质的界面表现出来的特性与在两种常规介质之间的界面所表现出来的特性完全不同,即发生负折射(折射光线与入射光线在界面法线的同侧)。
负折射介质改变了光波传播的传统图像。
在负折射介质中,光波传播的方向(即波矢方向),正好与能量传播的方向相反,同时电场、磁场与波矢满足左手规则(不同于传统介质中的右手规则),因此负折射介质也被称为“左手介质”。
这种改变引起了一些非常引人注目的现象,例如反常多普勒频移、反常Cherenkov辐射等。
由于自然界中尚未找到负折射介质,Veselag o的工作在很长的一段时间里并没有引起人们的重视。
英国Pendry在1996年的理论文章中介绍了一种开路谐振金属环构成的三维周期结构,其等效介电特征类似于等离子体[2—4](众所周知,等离子体的介电常数可以为负。
但由于等离子体的磁导率大于零,因此负介电常数使得等离子体对电磁波有强烈的屏蔽作用),等效的等离子体频率在G Hz水平,即该系统在RF波段的等效介电常数为负。
更重要的是,该结构可看作一种谐振回路周期结构。
理论分析表明,当电磁波的频率略低于谐振频率时,该系统的等效磁导率也可为负。
2000年,美国加州大学的S m ith 教授等人根据Pendry的理论文章,在实验上制成了第一个在RF波段介电常数和磁导率都为负的人工材料。
一年后,他们用这种负折射材料做成棱镜,从实验上证明了这种材料的折射率也为负[5—7]。
由于负折射介质所具有的多种奇妙特性(如负折射效应、倏逝波放大等)、基本的物理理论问题以及新颖的应用前景,负折射介质已成为电磁波和光电子学等方面国际会议的热点主题之一。
超材料的最新研究进展
超材料的最新研究进展超材料是指那些具有超常规特性和功能的材料，通常是由各种复合材料组成的。
这些复合材料可以控制光、声、热、电磁和力学领域中的物理特性，从而被广泛地应用于许多工业领域，如光电信息、能源、生物医学、机械、海洋等领域。
今天，我们将会讨论超材料的最新研究进展。
超材料的种类目前，超材料可以分为两大类：负折射和超透镜。
负折射材料是指那些可以引导光线穿过一个聚焦点，而非向外散开的材料。
纳米银球和纳米管就是负折射的经典例子。
超透镜则是将光线聚焦在微米或亚微米尺度，以便让我们看到更大的图像。
在超透镜中，单层石墨烯是最常见的选择。
超材料的优点超材料具有诸多优点，例如可以实现摆脱光学衍射极限、实现低损耗的电磁波吸收、制造更灵活的透镜系统、制造激光和光纤通讯器件等。
因此，超材料研究一直是科学界广泛关注的热门方向。
超材料在光学和电磁学中的应用在光学和电磁学中，超材料是一种强化效应的材料。
这些材料既可以扩展波长范围，也可以嵌入到一些小型化设备中。
目前，科学家们已经成功地将超材料用于各种机械和电子设备，如手持式激光指示器和无线电波传输器。
此外，超材料的应用领域还包括光纤通讯、纳米电子学、生物和医学成像、光学计算和透镜制造等。
近年来，在超材料研究领域，关于驻波光和平面波模式的控制已经取得了较大的进展。
例如，超材料神经元的研究可以实现神经元之间的光学通信，并在神经元之间传输信息，这有望促进神经网络科学的发展。
超材料在生物医学方面的应用在生物医学领域，超材料也被广泛应用。
科学家们利用超材料制造出一些具有特殊形态的菌群，从而能够阻止和破坏病原体的生长和繁殖，甚至预防疾病和扩散。
此外，超材料还可以制造出一些具有针对性的药物和检测设备，以便更加准确地诊断和治疗疾病。
结论总体来说，超材料研究在科学和技术领域中发挥着越来越重要的作用。
未来，科学家们将在这个领域内不断地探索，不断创新，并利用超材料制造出更多的高性能材料和设备，为人类的科技进步作出更大贡献。
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。
左手材料负折射率材料
应用拓展
进一步拓展左手材料在通信、雷达、传感等领 域的应用。
跨学科合作
加强与物理学、化学、生物学等学科的合作，共同推进左手材料的研究与应用。
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左手材料负折射率材料
目 录
• 左手材料简介 • 负折射率材料的特性 • 左手材料与负折射率材料的关系 • 左手材料负折射率材料的研究现状与展望
01 左手材料简介
定义与特性
定义
左手材料是一种具有负折射率的人工 复合材料，其介电常数和磁导率同时 为负。
特性
具有负的折射率、负的切向波速、负 的切向波长等特殊性质。
在通信领域，负折射率材料有望 用于构建更高效的光子集成电路，
提高信息传输的速度和容量。
在成像领域，负折射率材料可以 用于制造超分辨率成像设备，提
高成像的清晰度和分辨率。
在传感领域，负折射率材料具有 高灵敏度和快速响应的特点，可 用于构建高精度的光学传感器。
03 左手材料与负折射率材料 的关系
左手材料的负折射率特性
02
负折射率的出现，打破了传统光 学理论中关于折射率的定义，为 光学研究带来了新的思路和可能 性。
负折射率材料的实现方式
通过特定结构设计，使得材料在特定 频率的光波下表现出负的折射率。
目前实现负折射率材料的方法主要有 两种：一种是采用周期性结构的设计 ，另一种是通过使用复合材料。
负折射率材料的应用前景
面临的挑战
稳定性问题
左手材料在外部环境变化下容易失去负折射率特性， 需要解决稳定性问题。
制备难度
目前左手材料的制备工艺较为复杂，需要进一步优化 制备方法。
损耗问题
左手材料存在较高的介质损耗，限制了其在某些领域 的应用。
手性超材料研究进展
手性超材料研究进展钟柯松2111409023 物理1. 引言超材料是有特殊电磁性质的人造结构性材料，其中一个典型的性质就是负折射率。
第一种负折射率材料1两个部分组成：一个是连续的金属线，它来实现负介电常数2，另一个是开环谐振器，来实现负的磁导率3。
在同时实现复介电常数和负磁导率的时候，负折射率就是实现了。
后来，人们大多数以这个原则4-5来设计负折射率材料。
虽然负磁导率在微波段很容易实现，但是在光频区域却极其困难7,8。
与此同时，Pendry9，Tretyakov10,11和Monzon12等人从理论上提出了另一种利用手性实现负折射率的途径。
而手性材料层作为完美透镜也从理论上实现了9-13。
在这些报告中，Pendry提出了一种3D螺旋线结构来实现负折射率的手性超材料9。
Tretyakov 等人则在理论上研究了在手性和偶极粒子手性复合材料中得到负折射率的可能性11。
理论表明，负折射率是可以在以3D螺旋对称为晶格的金属球超材料中可以得到14。
同时也表明，周期上的手性散射是3D和各向同性负折射率的原因15。
实际上，Bose曾经在1898年利用螺旋结构研究了平面偏振电磁波的旋转16。
Lindman也是研究微波段人造手性介质的先驱17。
最近，Zhang 等人在实验上实现了一个3D手性超材料在THz波段的负折射率18。
Wang等人则在微波段同时实现了3D手性超材料的负折射率和巨大的光学活性和圆二色性19,20。
但是，这些提到的3D手性超材料都很难构建。
同时，平面手型超材料显示了光学活性也被报道了21-24。
这里需要指出的是，平面手性结构是正真的3D手性结构是不同的。
Arnaut和Davis第一次把平面手性结构引入到了电磁波的研究中25,26。
一个结构如果被定义为手性结构，那么它应该是在任何平面是没有镜面对称的，然而，一个平面结构被认为是手性的，则它是不能和它在该平面上的镜像重叠的，除非它不在这个平面上。
实际上，一个平面手性结构还是和镜像镜面对称的。
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。
超材料的研究现状与应用
超材料的研究现状与应用在物理学和材料科学领域，超材料是一个极具吸引力的话题。
它们是一种材料，由人工构造的微型结构组成，通常具有比自然材料更为神奇的物理特性。
这些特性包括负折射、抗反射、吸收、传输和控制光的能力，以及超高分辨率、精度和速度的传感器和器件。
目前，超材料正在被广泛用于光学、纳米技术、信息技术和能源等领域。
本文将介绍超材料的研究现状和应用，并探讨未来的发展趋势。
超材料的研究现状超材料是一种具有特殊性质的新型材料，它们的电、磁、声、热等性质都大大优于传统材料。
超材料在材料科学实验室中开展的研究主要包括三类：第一类是负折射超材料。
折射率是光线通过材料时遇到的阻力。
负折射超材料凭借其神奇的折射特性，能够将光线弯曲得完全相反。
直到2008年，当科学家报道成功制造了构建于光纤端面的负折射超材料时，负折射材料才真正进入了大众视野。
第二类是光学超材料。
光学超材料是由人造结构组成的，这些结构大小处于光波的微米范围之内。
例如人造折射光栅，可将光按照不同波长进行分离、反射和吸收。
这类材料在信息技术和光电子通讯领域得到广泛应用。
第三类是超材料天线技术研究。
天线是无线电设备的重要组成部分，其主要作用是将电波转换为无线电信号，并将这些信号转换回来。
因此天线技术在通信领域也起着至关重要的作用。
由于常规材料的性能受到电磁波波长的限制，因此新型超材料材料具有较传统材料更高的频率选择性。
超材料的应用负折射超材料负折射超材料已经被应用在各种科学领域，例如在光学成像和生物科学中。
在照明技术领域，负折射超材料突破了光学技术的极限，创造出超高分辨率和高效率的成像方式。
通过负折射超材料的技术，可以在医疗诊断和科学研究中实现无损伤性的成像，对提高疾病诊断的准确性，满足医学研究与临床应用需求，产生了极大的贡献。
光学超材料光学超材料被广泛应用于光电子器件和光学成像器。
例如，在光学通讯系统中，光学超材料是实现光子器件的重要材料，它们可以帮助光信号传输。
负折射材料研究报告
负折射率材料研究报告学号：08221033 陈法伟一、折射的理论1、基本定义与关系式电磁学的早期即由实验发现了以下规律：各向同性介电物质中电位移矢量与电场强度矢量方向一致，大小成正比，故有 E ε=D ，式中ε是比例系数，称为介电率或介电常数．另外，实验还证明，对各向同性非铁磁性物质，磁感应强度矢量与磁场强度矢量方向一致，大小成正比，故有H B μ=，式中μ比例系数称为导磁率．ε和μ被看成表征物质电磁性质的宏观参数．在自由空间(无电荷源及传导电流)，由麦克斯韦方程组导出的电磁波波方程为：由此得无色散电磁波传播速度：r r c v μεεμ==1 式中，0/εεε=r 是相对介电常数；,/0μμμ=r 是相对磁导率00με，则为ε，μ在真空中的值；而c 为自由空间(真空中)光速，001με=c 。
实际上，按照麦克斯韦场理论，电磁作用过程是经过场(波)而完成的，在真空条件下，这个作用传递的速度就是c ．可见，麦克斯韦由于提出电磁场方程组而被后人认为是伟大的科学家这点没错；但由于时代的局限(经典场论产生于距今136年前)，他的理论不可能解释近年来以量子力学、量子光学为基础而完成的超光速、超慢光速实验．2、折射折射是自然界最基本的电磁现象之一。
当电磁波以任意角度入射到两种不同折射率的介质交界面处时，波传播的方向会发生变化。
那么，介质的折射率是如何定义的？图1，表示介质1中的入射波在介质2中折射，虚线AC ，BE 为波前由于 故有,sin ,sin 2211t v CB CE t v CB AB ====θθ此式即为Snell 定律，由它可以计算折射波前进的方向，式中1v ，2v 均为相速。
这个比值被称为折射率，用n 表示，1122μεμε=n ，如0101,μμεε==，（介质1为真0,0222222=∂∂-∇=∂∂-∇t H H t E E εμεμ1211222121sin sin n n v v ===μεμεθθ空），μμεε==22,，，则有r r vc n με==。
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。
手性负折射率材料的最新进展
手性负折射率材料的最新进展佚名【摘要】阐述了手性负折射率现象的产生机制；总结了近几年国内外手性负折射率材料在仿真模拟和实验制备方面的研究进展；分析了手性负折射率材料的旋光性、手性参数、损耗等；介绍了手性负折射率材料在各个领域的应用。
分析认为，探索手性负折射率材料的新机制、新方法和新材料，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。
%In this paper , we describe the mechanism of chiral negative refraction phenomenon , and summarize the research progress on simulations and experiments of metamaterial in recent years .Meanwhile , we analysis the optical activity , chiral parameters , losses and so on , and introduce the applications of chiral negative re-fraction materials in various fields .According to the analysis , we believe that it is one of important develop-ment directions for chiral negative refractive index materials to explore new mechanism , new methods and new materials, so as to achieve negative refraction in visible range in the future .【期刊名称】《中国光学》【年(卷),期】2015(000)004【总页数】9页(P548-556)【关键词】负折射率材料;手性;旋光性;手性参数;损耗【正文语种】中文【中图分类】TB34负折射率材料是在某一频段下折射率为负的新型超材料，这种材料源于1967年V.G.Veselago［1］提出的假设，他预测在同时具有负介电常数和负磁导率的介质（又称双负型负折射率材料）中，电磁波矢量方向（相位的传播方向）与能量传播方向相反，电场E、磁场H、波矢k形成左手规则（又称左手材料），介质的折射率为负，这并不违背折射定律。
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。
超材料与负折射材料
超材料与负折射材料近年来，超材料和负折射材料成为光学领域研究的热点。
它们的出现给光学器件的设计与制造带来了新的可能性，也为科学家们开辟了一片崭新的研究领域。
本文将从超材料的定义、性质和应用以及负折射材料的原理、研究进展和商业应用等方面进行探讨。
超材料是由人造的纳米结构所构成的材料，它们能够表现出自然界中不存在的一些特殊性质。
超材料通过精确控制纳米结构的几何形状和分布，可以有效地操作光的传播方式。
其中最常见的超材料是负折射材料。
负折射材料是指其折射率为负值的材料。
根据电磁学理论，材料的折射率决定了光线在材料中的传播速度和路径。
通常情况下，光在传播过程中会遵循折射定律，即入射角和折射角之间的关系。
然而，对于负折射材料来说，入射角和折射角之间的关系与一般材料相反。
这意味着光线能够向自己的入射方向弯曲，形成反常的折射现象。
负折射材料的原理可以通过微观结构的调控来实现。
常见的负折射材料是由金属纳米结构和介电材料构成的周期性复合材料。
介电材料的折射率为正值，而金属纳米结构的电子态使得材料的有效折射率为负值。
这种负有效折射率导致光线的传播发生反常折射，使光线得以在负折射材料中聚焦和放大。
负折射材料在光学器件的设计与制造中起到了重要的作用。
例如，将负折射材料用于透镜的设计可以使光线得到聚焦，从而提高成像的分辨率。
此外，负折射材料还可以应用于超分辨显微镜、光波导等领域，为现有技术带来了新的突破和改进。
随着对超材料的深入研究，科学家们不仅实现了负折射，还发现了一些其他奇妙的性质。
例如，铁磁超材料可以实现完全二维成像，超常折射材料可以在光学元件中消除衍射现象。
这些发现为光学技术的发展提供了新的思路与方向。
负折射材料的研究还面临着一些挑战和困难。
目前的负折射材料往往限制在特定波段的工作范围内，并且制造过程较为复杂和昂贵。
此外，负折射材料的纳米结构也需要进一步优化，以提高其性能和稳定性。
这些问题需要科学家们在未来的研究中共同努力解决。
《负折射研究综述》
《负折射研究综述》负折射现象是俄国科学家Veselago 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。
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metmaterial 。
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，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。
通过查询相关的论文，我找到了两种理论来解释负折射是存在的。
第一种是根据法拉第、洛伦兹等人提出的电极化方程，经过对比后得到折射率的表达式，然后说明其为负的可能性。
1837年，法拉第最先提出电介质在电场中极化的概念．1850年，0.F.Mosotti 提出了电介质极化理论方程。
1880年，H.F.Lorenntz 和L ．V ．Lorenz 用光学方法导出了一个包含折射率的公式，称为Lorentz-Lorenz 方程。
由这两个方程对比可知道r n ε=2。
r r n με=2。
因而，r r n με±=。
这里的负号不能随便丢掉．在某种材料同时具有0,0<<r r με时，上式右端可能取负值。
这就是负折射材料。
第二种则是由麦克斯韦方程组出发，推导出折射率的表达式，同样也可以证明折射率是可以为负的。
根据麦克斯韦电磁场理论，对于无损耗、各向同性、均匀的介质得到正弦时变光波的亥姆霍兹方程为： 022=+∇E K E 022=+∇B K B 其中：002222002221,,μεεμεεμμωμεω=====c n n c w k r r r r 式中n 代表折射率，c 是真空中的光速。
负折射率材料中的慢光技术研究
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的介 质 ， 最初是 由前 苏联物理 学家 Ｖ ｓ ａｅ 于 ｅｌ ｏ ｅｇ １６ 年提出的。在负折射介质中， ９８ 电磁波能量 Ｓ的
ｐ ：ｌ ２ ２ 一 —
摘
要：首先阐述 了负折射率材料 的反 常传播 特性 ，并简要介绍 了通常 实现慢光技 术的原理。
随后分析了利用负折射率材料 的波导结构 实现慢光的几项关键 性研 究进展 ，并对含 有负折射 率 材 料 的波导 结构在 室温 固体条 件 下 实现 慢 光 的原 理进 行 了总 结 ，进 而提 出 当前 利 用 负折 射 率材 料实现慢光所存在的问题 以及研 究方向 ，最后简要介绍了这一最新课题的研 究意义和应用前景。 关键词：慢光 ；负折射率 ；左手材料 ；后向导波
慢 光技术 在现代 光通 信 网络 中有很 多潜在 的应
用， 如光交换、 光缓存 、 光存储、 数据路由、 数据 同步、
光 信号 处理 、 波 光 子学 及 干 涉仪 等 。室 温 条件 下 微 实 现 慢 光 技 术 的 方 法 ¨ 要 有 ： Ｂ Ｓ ｍ ｌｔ 主 Ｓ Ｓ（ ｔ ｕａｅ ｉ ｄ
ｔｍ ｅａ ｒ ａ ｚ ｏ ｇ ｔ ａ ｎ ｌ ｅ ｎ ｕ ｍ ｒ ｅ ｉ ｐ ｐｒ ｔｕ ｏ ｓｔ ｏ ｔ ｎｔ ｅ ｐｒｔ ｅｔ ｒ ｌｅｓ ｗｌ ｓａａｙ ｄａ ｄｓｍ ａｉ ｄｉ ｔ ｓ ａ ｅ， ｈ ｓｉｃｍｅ ｏ ｂａ ｅ ｕ ｏｅｉ ｌ ｉ ｗ ｈ ｚ ｚ ｎｈ ｔ ｉｈ
等人 相继 从理论 上证 明了一 种开路谐 振金属 环结构
可以实现 负的介 电常数和磁导率。随后 ，ｈｌ Ｓｅ ｙ ｂ 等人 根 据 Ｐｎｒ ｅｄ ｙ的 理 论 利 用 开 口金 属 谐 振 环 （ Ｒ ｓ 和金属导线 阵列（ ’） Ｓ Ｒ’） ＷＳ Ｓ结构首次在微波 段制成了介 电常数 和磁导率 同时为负的人工材料， 并从实验上证明了负折射现象的存在 。 这种 系统结 构 采 用 金属 Ｄｕｅ模 型 ， 等效 介 ｒｄ 其
含负折射率材料一维光子晶体的色散关系
目录一.引言 (1)1.1光子晶体的研究进展 (1)1.1.1理论基础 (2)1.1.2 制备方法 (3)1.1.3 前景展望 (5)1.2.负折射材料的研究进展 (5)二. 理论推导 (6)2.１光脉冲在传统一维光子晶体中的传播 (8)2.2光脉冲在含负折射率一维光子晶体中的传播 (11)三. 数值模拟 (15)结论 (18)致谢语 (18)参考文献 (19)08届物理学（师范）专业毕业设计（论文）含负折射率材料一维光子晶体的色散关系摘要概述光子晶体的特性、发展历程、理论基础及其潜在的应用等，特别介绍了光子晶体的制备方法。
从麦克斯韦方程出发，利用边界条件推导出了传统一维光子晶体与含负折射率材料的一维光子晶体色散关系，以及应用传输矩阵方法计算光脉冲在含负折射率材料的一维光子晶体中传播时的反射光谱和透射谱。
关键词光子晶体光子禁带制备方法自组装法一.引言1.1 光子晶体的研究进展光子晶体（Photonic Crystal,简称PC）是指介电常量（或折射率）呈周期性变化的一类物质，通常具有能带结构，因此也称为光子禁带材料（Photonic Band Gap Materials）。
因其具有光子局域、抑制自发辐射等特性[1，2]，故光子晶体被认为是控制光子的光半导体。
1987年，E.Yablonovitch[3]和S.Joho[4]在研究抑制自发辐射和光子局域时分别提出了光子晶体这一新概念。
1990年，Ho K.M. [5]等人从理论上计算了一种三维金刚石结构光子晶体的色散关系，并由此预测三维金刚石结构中存在光子禁带。
1991年，Yablonovitch[6]在实验室中采用人工制造出了第一块被认为具有完全禁带的三维光子晶体。
目前，光子晶体的理论研究相对比较完善了，制备研究也取得了长足的进展，从最初的毫米波段到微米、远红外、红外、甚至可见光波段。
通常，光子晶体可划分为一维（1D）、二维（2D）、三维（3D）三种。
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
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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）0710026－02
0 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。
但有如下关系变化：
这时候电矢量E、磁矢量H和传播方向矢量K仍然相互垂直，但满足左手螺旋关系。
我们把满足这种关系的介质称为左手材料（lefthandedmaterial，LHM）。
由于介质折射率n为负数，所以左手材料又称为负折射率材料（NIM）。
2 实验验证
2.1 新型六边形谐振环
Smith等人最早实现且用实验展示的负折射率材料就是由矩形谐振环——细金属线阵列复合而成。
细金属线阵列可以产生负介电常数，谐振环阵列则可以产生负的磁导率，在同一电磁波频段内将其复合，则可以得到折射率为负值的负折射率材料。
张淳民等人[5]设计了新型六边形谐振环，设计、制作并实验和仿真研究了三角开口环为基本单元的六边形谐振环金属线复合周期结构左手材料，仿真结果在9.8GHz附近出现良好负折射效应，实验验证在9.3-10.8GHz出现良好负折射效应。
如图1所示，六边形周期结构的一个单元由六个小三角形状的开口谐振环组成，用于产生负的磁导率；基板背面覆细金属线，用于产生负的介电常数；二者复合在一起可以在谐振频率重叠区域内产生负的折射率。
将金属线和六边形谐振环仿真的两种机理结合，对六边形谐振环金属线复合结构进行仿真研究。
电磁波从正前方入射，频率设置0-15GHz，得到S21曲线如图2。
由图2所示，推断出9.8GHz左右的透射峰可能是负折射峰。
那么，仿真之后进行实验验证，利用FR4印刷电路板覆铜将六边形金属线复合周期结构制成棱镜样品如图3，基板厚度为0.3mm，根据实验设置入射角约为20°，借助HP8756A标量网络分析仪和平板波导进行验证和分析.通过棱镜实验，根据结果分析得出负折射频段大约是9.3-10.8GHz，说明此频段的电磁波刚好处于六个三角开口谐振环耦合之后谐振频段低于金属线等离子体谐振频率的波段，属于可通过频率区间范围之内，故可以顺利通过，且出现在发生负折射现象的位置，折射率为负值。
2.2 金属线对复合结构
何光华等人[6]利用金属线对设计了能够在7GHz附近产生双负的复合结构。
金属线对复合结构的单元结构如图4所示。
在介质板的两侧，利用印刷板工艺加工金属长线对和短线对。
首先利用CSTMicrowave Studio进行数值仿真，在z方向上放置波导端口，以使电磁波垂直与介质板入射；在y方向上下设置成电边界，以使电场沿y方向偏置，在x方向左右设置成磁边界，以使磁场沿x方向偏置。
利用单元结构仿真所得的S参数，可以由反演程序计算出等效的电磁参数。
在长线和短线的重叠区域（7.2-7.4GHz），复合结构体现出左手性质，并且具有负的折射率和较低的损耗。
为了验证此特性，对多层结构的传输谱进行了测量。
在y轴的上
下面放置相互平行的铝板以构成平行板波导，在x轴样品外侧填充吸波材料，同时在z轴前后放置两个微波探头，探头的另一端连接到安捷伦E8363A矢量网络分析仪进行测量。
并测量了多层材料的传输谱，对于电单负的长线和磁单负的短线，在7-7.5GHz都为阻带，而双负的长线加短线复合结构在该频率段损耗明显减小，显示了左手材料损耗较小的性质。
对于合材料，发现在7.03-7.4GHz之间，相位随着层数的增加有规律的递增，从而可判断7.03-7.4GHz频率段复合结构为左手材料。
3 结论
国内的研究与国外一样，理论领先于实验。
理论方面主要还是集中在对左手介质中物理效应以及实现负折射效应的研究。
负折射材料的实验验证和实现手段开辟了一个新的研究领域。
虽然负折射材料的研究已经取得很大进步，但多数负折射材料的设计和应用还处于试验阶段。
以上描述的实验结果都在某一频率具有良好的负折射效应，对新型周期结构负折射材料的研究设计具有重要的指导意义。
参考文献：
[1]Veselago V G.The electrodynamics of substances with si-multaneously negative values of permittivity and permeabili-ty[J].Soy Phys Usp，1968，10（4）：509.
[2]Pendry J B，Holden A J，Stewart W J.Extremely low fre-quency plasmons in metallic meso structures[J].Phys RevLett，1996，76（25）：
4773.
[3]Pendry J B，Holden A J.Magnetism from conductors and en-hanced nonlinear phenomena[J].IEEE Trans Microwave Theory Techn，1999，47（11）：2075.
[4]Smith D R，Padilla W J， Vier D C， et al. Phys. Rev. Lett.，
2000，84：4184-4187.
[5]张淳民、孙明昭、袁志林、宋晓平，基于三角谐振环的新型六边形谐振环金属线复合周期结构左手材料性质研究，物理学报[J].2009，58（3）：1758.
[6]何光华、伍瑞新、陈平，金属线对结构中左手材料特性的实验验证，微波学报，2010，26（3）.。