零折射率超材料
基于超材料的高增益对拓Vivaldi天线设计
基于超材料的高增益对拓Vivaldi天线设计张月;井甜甜;杨君;徐娟;赵建平【摘要】随着无线通信技术对人类生活影响力的提高,无线通信在通信领域的地位越来越重要.无线通信系统依靠无线电波传递信号,而无线电波的接收和发射则离不开天线.Vivaldi天线是一种超宽带天线,是渐变缝隙天线的一种特殊情况,也是一类经典的行波天线.但是,Vivaldi天线一般存在后向辐射大、主辐射方向增益低的缺点.可以通过对Vivaldi天线加载零折射率超材料的方式,在保证阻抗带宽不变的情况下,显著提高天线在整个频带内的增益.【期刊名称】《通信技术》【年(卷),期】2018(051)012【总页数】5页(P2861-2865)【关键词】Vivaldi天线;零折射率;超材料;天线增益【作者】张月;井甜甜;杨君;徐娟;赵建平【作者单位】曲阜师范大学,山东曲阜 273165;曲阜师范大学,山东曲阜 273165;曲阜师范大学,山东曲阜 273165;曲阜师范大学,山东曲阜 273165;曲阜师范大学,山东曲阜 273165【正文语种】中文【中图分类】TN920 引言在过去的几十年里，无线通信成为发展最迅猛的领域之一。
天线是无线通信系统中极其重要的部分，通信系统中的信号的接收和发送都离不开天线[1]。
随着无线通信的不断发展，不但要求通信速率要高，而且通信质量的要求也较高。
但是，由于用户数量的增加，加上频谱资源比较匮乏，实现天线的宽带化和小型化的必要性日趋明显[2]。
Vivaldi天线是一种超宽带、小型化的天线，是渐变缝隙天线的一种特殊情况[3]。
Vivaldi天线呈指数状槽线，结构较为简单，可直接印刷在介质基板上。
Vivaldi天线的带宽很宽，但现实中会有很多因素限制其带宽，所以对拓Vivaldi天线应运而生。
比起普通的Vivaldi天线，它的结构更紧凑，带宽更宽，容易实现阻抗匹配，交叉极化水平更优[3]。
为了提高天线的增益，可以靠加载零折射率超材料来实现。
《零折射率材料应用》课件
零折射率材料对化学物质的吸附、反应和传输具有优异性能，可应用于气体、液体和固体的化学分析。这些传感 器在环境保护、工业生产控制和食品安全等领域具有广泛的应用前景，如气体污染物、有毒有害物质和农药残留 的检测。
05
零折射率材料的未来展 望
零折射率材料的理论研究展望
深入研究零折射率材料的物理机制
随着研究的深入，未来可能会发现更多具有零折射率的材料，并深入理解其物理机制， 为理论模型的发展提供支持。
探索零折射率材料在量子领域的应用
随着量子技术的发展，未来可能会探索零折射率材料在量子通信、量子计算等领域的应 用，为量子技术的发展提供新的思路。
零折射率材料的实验研究展望
优化制备工艺
随着制备工艺的不断改进，未来可能会实现更高效、更低成本的制备方法，为 零折射率材料的广泛应用提供支持。
详细描述
零折射率材料与生物分子相互作用时，可实现信号放大和特异性识别，提高检测的灵敏度和特异性。 这些生物传感器可用于疾病诊断、药物筛选和基因测序等领域，为生命科学研究提供有力支持。
零折射率材料在化学传感和检测领域的应用
总结词
利用零折射率材料的化学稳定性、高灵敏度和低检测限，实现化学物质的快速、准确检测。
生物医学领域
零折射率材料在生物医学领域的应用前景也值得期待，如生物成像 、药物传递等，有助于提高医疗设备的性能和治疗效果。
谢谢观看
滤波器。
声学隐身
02
类似于光学隐身，零折射率材料也可以实现声学隐身，使物体
在特定频率的声波下不可见。
声学传感器
03
零折射率材料可以用于设计高灵敏度的声学传感器，用于检测
微弱的声波信号。
物质传感和检测领域
1 2
零折射率超材料
零折射率超材料一类折射率为零的超材料由于材料的独特特性而迅速引起了科学家的兴趣，在哈佛大学领导一个研究超材料的研究小组解释说，这种材料在用光照射时会以一种特殊的方式表现。
例如，指向平面平板的光只有在其入射角恰好为90度时才能通过。
光线会在材料中产生响应，因此与入射电磁场相结合，材料中的场在整个材料中具有相同的相位——就像电影中马车的轮子由于相互作用而出现静止状态一样旋转的频率和电影的频率,空间中的这种完全相干性导致光具有无限波长和无限相速度。
由于光的相位在所有超材料中都是相同的，看起来正弦场的波长被拉伸到无穷大，并且相位瞬间传播。
这两个特性允许在光学芯片上非常小的可用空间内以前所未有的方式控制光；它可以通过极其狭窄的通道或波导，绕过尖角而不会损失能量。
在芯片上制造这种超材料可以与其他纳米制造技术集成以进行片上光操纵。
研究团队合作者创建了一个超材料层，该层由嵌入聚合物基质中的硅柱组成，两面都覆盖有金膜，沉积在硅基板上。
这种零折射率超材料层可以填补工程师在通往未来光子芯片的道路上可能面临的许多坑洼，研发道路上的障碍之一是将光耦合到光学芯片上的小结构中——小于光的衍射极限，该团队设计了“超级耦合器”的概念，其中光通过可以处理小尺寸和锐角的零折射率材料传输，这将减小光学连接的尺寸，并消除传输中的损耗。
如果我们将零折射率超材料放入由镜子制成的波导中，无论波导的长度、挤压、形状、扭曲或弯曲如何，我们都可以实现高效传输，这些是无法通过使用常规波导在微波和光学系统中实现的现象，”。
第二个应用是非线性光学中的相位匹配，这是研究由与光强度不成比例的光引起的物质现象,光学处理将需要单独的光束彼此相互作用，只有当出射光子的动量与入射光子的动量相匹配时，两束光束只能通过非线性过程相互作用。
零折射率材料使这变得特别容易，因为零折射率材料中光的动量矢量为零，这放松了对纳米级非线性光学过程的一些限制。
光学量子计算机中的应用可能很有前景，因为零折射率材料中的所有光发射器都必须同相振荡。
零折射率超材料研究进展
基 金 项 目：广 东 省 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （２０１５Ａ０３０３１１０１８；２０１７Ａ０３０３１３０３５）
作者简介：许 军 （１９９２），男，硕 士 研 究 生，主 要 从 事 光 学研究。
第 ４２卷 第 ３期 ２０１８年 ５月
激 光 技 术 ＬＡＳＥＲＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖｏｌ．４２，Ｎｏ．３ Ｍａｙ，２０１８
文章编号：１００１３８０６（２０１８）０３０２８９０６
零折射率超材料研究进展
许 军，陈溢杭
（华南师范大学 物理与电信工程学院，广州 ５１０００６）
摘要：近年来，具有自然界中天然媒质所不具备的特殊性质的电磁超材料在很多领域引起了广泛关注。零折射率 超材料（ＺＲＩＭ）是一种相对介电常数和磁导率为零的特征材料，在光学领域具有很多独特的特征，主要表现在波长拉伸、 相位一致以及隧道效应等方面。介绍了几种典型的 ＺＲＩＭ结构以及 ＺＲＩＭ结构中实现的性质，包括无限大波长、均匀场 分布等。讨论了 ＺＲＩＭ结构的实现在物理光学中的重要应用，比如定向发射、发射增强、边界态分析以及光的捕获。基 于零折射率的性质以及特征的研究，为新器件开发、新光学元件的基础研究提供了相应的参考和指导。
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍａｔｅｒｉａｌｓ；ｚｅｒｏｒｅｆｒａｃｔｉｖｅｉｎｄｅｘ；ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ；ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ；ｔｕｎｎｅｌｉｎｇｅｆｆｅｃｔ；ｅｍｉｓｓｉｏｎ；ｌｉｇｈｔｔｒａｐｐｉｎｇ
引 言
纳米光子学的主要目的是对光在纳米尺度上的操 作以及控制，并在通信技术和能源管理中发挥关键作 用。然而，由于光与物质间的相互作用通常较弱，因此 需要通过使用适当的超材料结构［１３］对光进行控制：包 括弯曲、聚焦、移动，甚至捕获与存储，以及实现全光信 息处理任务。
超材料研究及应用发展趋势
超材料研究及应用发展趋势作者：江洪王微许露来源：《新材料产业》 2014年第9期文 /江洪 1 王微 1，2 许露 1，21. 中国科学院武汉文献情报中心2. 中国科学院大学超材料（Metamaterial）与过去一直研究和应用的铜、铁、半导体等原子、分子以及纳米级别的材料不同，是一种全新材料，它提供了一种可以让人们随心所欲制造具有许多特殊物理性质的全新思路与方法。
可以说，超材料是继高分子材料、纳米材料之后材料领域又一重大突破，将对世界科技发展产生重要影响。
超材料的基本设计思路是以某种具有特殊功能的人工结构为基础，设计材料关键物理尺度的结构，以得到不受自然规律限制的天然材料不具有的超常功能。
超材料类似于自然界中存在的晶体结构物质，通过原子的有序排列和有序调节，使得晶体材料显示出一些无定型态所不具备的物理特征。
而超材料可以理解为人们通过各种层次的有序结构实现对各种物理量的调制，从而获得自然界中在该层次上无序或无结构的材料所不具备的物理性质。
一、超材料的种类超材料一词在 1999年被Rodger首次提出，其范围主要包括左手材料、光子晶体、电磁晶体、超磁性材料、频率选择表面、人工磁导体、基于传输线结构的超材料、等离子结构的超材料等。
1. 负折射率材料负折射率材料的基本原理来自于电磁学理论，用来表示某一种物质的电磁性质的是介电常数和磁导率这 2个基本物理量。
如果这2个常数都是负数就被认为“不具有任何物理意义”。
前苏联科学家韦谢拉戈（Veselago）在20世纪提出了介电常数与磁导率可能同时为负的理论，并构想了一种具有负折射率的材料（图1），由于它违反了光学定律，人们普遍认为它只是科学家臆想出来的理论，并不可能实际存在。
然而，2003年英国帝国理工学院的彭德利(Pendry)通过理论计算得出了 2个重要推论：①间距在毫米级金属细线的格子中具有类似等离子体的物理行为，共振频率在GHz与低于此频率时介电常数出现负值；②利用非磁性导电金属薄片构成开环共振器组成的方阵(见图2），可实现负的有效磁导率，而且负的磁导率是可调的。
超材料技术及其应用展望
一、前言超材料是世纪之交诞生的一个新的科学概念。
基于这一概念，在过去的十几年中发展出了一系列具有奇异特性的新型人工材料系统，可望在诸多领域产生颠覆性技术。
超材料技术被美国国防部列为“六大颠覆性基础研究技术〃之一,并先后被评选为材料科学领域“50年中的10项重大成果〃之一和21世纪前10年10项重大突破之一。
“超材料”一词最初由美国德克萨斯州大学奥斯汀分校教授提出，用来描述自然界不存在的、人工制造的、三维的、具有周期性结构的复合材料。
尽管各种科学文献给出的定义也各不相同，但一般都认为〃超材料〃是具有通过人工结构作为基本功能单元、能够实现自然材料不具备的超常物理性质的人工材料。
近年来,典型的超材料如左手材料、“隐身斗篷〃、完美透镜等已在光学、通信、国防等应用领域渐露头角，而为数众多的电磁超材料、力学超材料、声学超材料、热学超材料以及基于超材料与常规材料融合的新型材料相继出现，形成了新材料的重要生长点。
二、超材料的实现方法一一以左手材料为例左手材料是一类典型的超材料，这类材料的设计和实现对超材料思想的形成起到了关键作用。
左手材料的源头可追溯到科学家于1968年提出的一个思想实验。
他预测，如果有某种材料同时具有负的介电常数和负的磁导率，电磁波在该材料中传播时的电场矢量、磁场矢量以及波矢量之间的关系将不再遵循经典电磁学中的“右手定则〃，而呈现出与之相反的〃左手关系〃，这时材料中电磁波的波动方向和能量传播方向相反，并表现出一系列有违常理的行为，例如光的负折射、反常多普勒效应、倏逝波放大、完美透镜效应，以及反常切连科夫辐射等。
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，的预言在相当长的时间内未能得到科学界的重视。
直到20世纪90年代中后期，英国物理学家的工作使左手材料的研究出现了柳暗花明的前景，并导致了超材料这一新概念的形成。
1996年预言了由金属线构成的阵列可在谐振频率附近产生出宏观反常介电常数的性质，1998年又提出通过人工设计具有开口的金属开口谐振环结构(SRR)阵列实现反常有效磁导率。
超材料
超材料：科学与技术发展的一种新前沿摘要：超材料指的是一些具有自然界的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，在近十年来已经成为了材料科学、物理、化学以及工程学等学科的前沿发展方向。
本文对超材料的基本理论与原理、最新的进展以及未来的发展方向做了详细的介绍。
首先展示了超材料的基本原理与理论以及发展历程，其次针对最新发展做了介绍，包括超透镜、隐身斗篷和光子晶体以及超材料制备等。
最后，本文对超材料研究的未来发展方向与趋势作了详细讨论。
关键字：超材料负折射完美透镜光子晶体材料制造1引言在3000多年前，人类就掌握了制铜技术，并学会了制作较高性能的铜合金的方法。
在2000多年前人们又掌握了炼铁技术。
在20世纪六十年代，半导体材料飞速发展起来。
人们在利用这些材料基本是在原子与分子级别。
近些年来纳米技术又飞速的发展，在纳米尺寸级别人类又有很多重要的发现与发明。
超材料是一种与上面所介绍的材料都不一样的全新材料。
它提供了一种可以让人们随心所欲的制造具有许多特殊物理性质的全新思路与方法。
超材料的基本设计思路是以某种具有特殊功能的人工结构为基础。
例如，材料中所呈现的一些物理性质往往和材料结构中的关键物理尺度有关，一个最直观的例子是晶体。
晶体是自然界中物质的有序结构的一个重要形式，它的有序主要存在于原子层次，正是由于在这个尺度上的有序性调制，使晶体材料形成了一些无定型态所不具备的物理特征，上面所提到的半导体材料中最重要的单晶硅即是一种典型的晶体。
由此类比，在其它层次上的有序排列则可能获得一定程度的自然界中的材料所不具备的物理性质.。
因此，人们可以通过各种层次的有序结构实现对各种物理量的调制，从而获得自然界中在该层次上无序或无结构的材料所不具备的物理性质。
2 基本原理1在电磁学理论中，介电常数与磁导率是用于描述物质电磁性质的基本物理量，决定着电磁波在物质中的传播特性。
在传统的理论中，以上两个常数都必须 是为正数，负数是不具有任何物理意义的。
科学家建零折射率“超材料”完全操控光传播
科学家建零折射率“超材料”完全操控光传播[导读]一个国际科研团队研制出了一种新的光纳米结构，使科学家能操纵光的折射率并且完全控制光在空气中的传播。
据美国物理学家组织网7月11日（北京时间）报道，一个国际科研团队研制出了一种新的光纳米结构，使科学家能操纵光的折射率并且完全控制光在空气中的传播。
最新研究证明，光（电磁波）能通过人造媒介，从A点无任何相变地传播到B点，好像该传播媒介完全在空气中消失一样。
这是科学家首次在芯片规模和红外线波长上实现同相传递和零折射率。
最新研究发表在7月10日出版的《自然·光子学》杂志上，该研究由美国哥伦比亚大学机械工程系副教授王琪薇（音译）和电子工程系博士候选人瑟尔达·可卡曼领导，他们同英国伦敦大学学院、美国能源部布鲁克海文国家实验室以及新加坡微电子研究所的科学家携手完成了这项研究。
科学家们将正折射率和负折射率结合在一起，实现了对光子相位的精确控制。
自然界中所有已知材料的折射率均为正。
科学家们通过对这些人造亚波长的纳米结构进行蚀刻，实现了对光传播的控制，使该媒介中出现了一个负折射率。
科学家们接着将该折射率为负的媒介同一个折射率为正的媒介串联在一起，使得最终得到的纳米结构表现得好似其折射率为零。
可卡曼表示，他们对此感到非常兴奋，他们已构建并观察到了一种拥有零折射率的“超材料”，光可以无折射地通过这种材料传播，好像整个空间消失了一样。
王琪薇说：“对光子的相位进行控制非常重要。
最新研究是一个重大的进步，标志着我们在想方设法让光子芯片能携带信息而又不失去对光的相位进行控制方面前进了一大步。
”王琪薇还表示，控制光的传播能让我们研制出自聚焦的光束、具有很高指向性的天线；最新研究甚至也为我们提供了一种潜在的方法，让我们能包裹或隐藏物体，目前，通过这种方法，我们至少能在小规模或窄频带上实现这一点。
零折射率超材料让光速在芯片上无限大
零折射率超材料让光速在芯片上“无限大”零折射率超材料让光速在芯片上“无限大”这种零折射率材料由镀金硅柱阵列嵌入聚合物基阵构成，没有相推进，会产生静止相态，其波长可以看作是无限长。
最近，美国哈佛大学科学家首次设计出一种折射率为零、能整合在芯片上的超材料，光在其中的速度可以达到“无限大”。
这一成果为探索零折射率物理学及其在集成光学中的应用打开了大门。
听起来这好像违反了相对论法则，但实际上没有。
宇宙中没什么东西能跑得比光快，但光还有另一种速度，即波峰运动的速度，称为相速度，这种光速快慢取决于光通过的材料。
比如光通过水面时，相速度会因波长被挤压而变小，进入水中后，相速度会再变大，因为波长被拉伸。
在介质中，用折射率来表示光波波峰的速度减慢，折射率越高，对光波衍射的干扰越大，如水的折射率约是1.3。
而在零折射率材料中，没有波峰波谷的相推进，这意味着光表现得不再像一种运动波，而是一种静止相，所有波峰波谷排成无限长的波长。
波峰和波谷只作为一种时间上的变量，而不是空间。
光很难被挤压或操纵，而这种统一相态让光变得可以拉伸、挤压或扭曲而不会损失能量。
把零折射率材料整合到芯片上，有望带来光明的应用前景，尤其是在量子计算领域。
据物理学家组织网报道，零折射率的超材料由镀金硅柱阵列嵌在聚合物基体中构成，能将硅波导与标准集成光子器件、芯片接口耦合在一起，让人们能在不同芯片之间操纵光，挤压、扭曲光线，甚至能把光束直径缩小到纳米级。
该校约翰·波尔森工程与应用科学学院（SEAS）物理学与应用物理学教授埃里克·马祖尔说，这是控制光的一种很好的新方法。
“这种芯片上超材料，为探索零折射率物理学及其在集成光学中的应用打开了大门。
”论文第一作者、马祖尔团队博士后研究员李扬（音译）说，在一般的硅波导中，光能约束软弱而无效，是集成光子电路的一大障碍，这种零折射率材料为在不同波导结构中约束电磁能量提供了一个解决方案。
超材料一点介绍
一、超材料应用前景广阔超材料是指人工电磁材料，是一种人工结构的功能性材料，通过对传入材料的电磁波做人为调制，改变传统的传波方向或大小，可能使材料出现人类前所未见的属性和性能。
目前超材料可用于天线、吸波材料等，是国内外的研发热点，人们可以通过各种层次的有序结构实现对各种物理量的调制，从而获得自然界中在该层次上无序或无结构的材料所不具备的物理性质。
超材料独特的电磁性能已经吸引了来自不同领域的研究者研究。
反过来，这种趋势又将推动超材料的迅猛发展。
在十余年间，人们就已经有很多多的突破与进展，包括负折射率、超级透镜、隐身斗篷已及零折射率等。
其它的很多吸引人心的发现也等待着人们的探索。
可以预见，在将来的科学与技术领域，超材料必将有巨大的突破，就像曾经高分子材料与纳米材料一样，将极大地推动科学技术的极大进步。
在超材料中，发展最快应用前景最广的当属负折射率材料和光子晶体。
负折射率材料主要是基于左手材料、超透镜、隐形斗篷与零折射率超材料的研究；而光子晶体是由具有不同反射率的材料在空间交替构成的一种周期结构。
随着研究的深入，人们发现超材料不仅能够用来实现双负介质，而且零折射率介质、高折射率介质等都已随着发展进入了研究者的视野中，其应用前景十分广阔。
左手材料是近年来新发现的某些物理特性完全不同于常规材料的新材料，产生逆多普勒效应、逆Snell折射效应、逆Cerenkov辐射效应以及“完美透镜”等奇异的电磁特性。
这些特性可望在信息技术、军事技术等领域获得重要应用，这将在核磁共振成像、光存储和超大规模集成电路中的光刻技术等诸多方面得到应用。
而光子晶体对光通讯中的信息处理有重要的意义。
值得指出的是，由于光子晶体材料自身给出了一种材料平台，人们可以在同一块光子晶体“芯片”上实现各种不同的有源和无源器件，并将这些集成。
这为未来的集成光子学技术提供了广阔的发展前景。
目前的研究集中于研究各种波与特殊设计的共振器阵列的交互应用。
主要目标是利用这些共振器与连续波的强烈反应大幅改变波的传播特性。
一种折射率近零超材料的设计、制作和表征
磁 导率 是用 于描 述 物质 电磁 特性 的基 本物 理参 数 ， 决定 着 电磁 波在 物质 中 的传播 特性 。早 在 １ ９ ６ ８年 ，
前 苏联 科 学家 Ｖ ｅ ｓ ｅ ｌ ａ ｇ ｏ就 提 出 了介 电常 数 ８和 磁导 率 可 以同时 为 负 的情 况 Ｉ ｌ １ ， 即左 手材 料 （ Ｌ ＨＭ） 的概 念， 并从 理论 上虚 构 了这种 负折 射 率材 料 ， 可惜 因为 自然 界 中不存 在 这种 天然 物质 ， 所 以该 理论 在很 长一 段 时间 内都 没有得 到人们 的重 视 。直 到 ２ ０ ０ ０年 ， Ｐ ｅ ｎ ｄ ｒ ｖ ［ ２ ｌ 从 Ｍａ ｘ ｗ ｅ ｌ ｌ 方 程 和物质 本构 方程 中计算 得 出 ： 微 米粗 细 的金 属线 间距 在毫 米级 间 隔具有 类 似等 离子 体 的物 理行 为 ， 可实 现等 效介 电常 数 为负 的人 工 电磁 材料 ； 利 用非 磁性 导 电金属 薄 片构 成 Ｓ Ｒ Ｒ环 并组 成 方 阵 ， 能够 实现 可 以调 节 的负 的等 效磁 导率 。这 些人 工材 料具 备 自然界 中天然 物质 无法 达 到 的特 性 ，从 而 打开 了人 工结 构超 材料 的历 史篇 章 。特别 是在 ２ ０ ０ ６年 ， Ｐ ｅ ｎ ｄ ｒ ｙ等人 和 Ｌ ｅ ｏ ｎ ｈ ａ ｒ ｄ ｔ 分别 提 出利 用 变换 光 学 的方法 设 计制 作 基 于超材 料 的 “ 隐身 斗篷 ” ， 可 以操 纵 电磁 波传播 并 达到 隐藏 物体 的效 果［ ６ － ９ １ 。 除单 负 （ ｅ ＜ ０或 ＜ ０ ） 和双 负 （ ｅ ＜ Ｏ且 ｌ ｘ ＜ Ｏ ） 材料 之外 ， 近零 超 材料 同样 是 目前兴 起 的人 工 电磁材 料 的
第 ２ ７卷 第 １ 期
超材料简介
5
1.2超材料的分类
（1）左手材料 （2）光子材料
6
二.左手材料
2.1左手材料的概念
左手材料”是指一种介电常数和磁导率同时为负值的材料。电磁波在 其传播时，波矢k、电场E和磁场H之间的关系符合左手定律，因此称 之为“左手材料”
16
在生物界中，也不乏光子晶体的踪影。以花 间飞舞的蝴蝶为例，其翅膀上的斑斓色彩， 其实是鳞粉上排列整齐的次微米结构，选择 性反射日光的结果.
17
3.2光子晶体的原理
晶体内部的原子是周期性有序排列的，这种周 期势场的存在，使运动的电子受到周期势场的布拉 格散射，从而形成能带结构，带与带之间可能存在 带隙。电子波的能量如果落在带隙中，就无法继续 传播。
1.2.2超材料可吸收所有光线 “当光线打击材料介质时会出现三种情况：光线被反射，比如光线照
射镜面时；光线被传播，比如光线照射在玻璃窗户上时；最后一种情 况就是光线被吸收并转换成热量。这种最新设计的超材料可以确保光 线既不被反射，也不在其中传播，而是将光线完全吸收转换成热量
4
1.2.3超材料用于3D显示 光从“超材料”制造的空心光纤投射下来，周围的光绕着管道改变方
操纵光的折射率并且完全控制光在空气中的传播。最新研究证明，光 （电磁波）能通过人造媒介，从A点无任何相变地传播到B点，好像该 传播媒介完全在空气中消失一样
3
（2）科学家们将正折射率和负折射率结合在一起，实现了对光子相 位的精确控制。自然界中所有已知材料的折射率均为正。科学家们通 过对这些人造亚波长的纳米结构进行蚀刻，实现了对光传播的控制， 使该媒介中出现了一个负折射率。科学家们接着将该折射率为负的媒 介同一个折射率为正的媒介串联在一起，使得最终得到的纳米结构表 现得好似其折射率为零。
基于近零折射率超材料的微带天线的设计和研究
基于近零折射率超材料的微带天线的设计和研究一、近零折射率超材料的魔力说起“近零折射率”，你或许会觉得有点抽象，甚至有点让人摸不着头脑。
简单来说，它就是一种可以让光或电磁波在传播时，变得像“傻傻的”一样，不太按照常理来走的材料。
听起来是不是有点神奇？简单点说，当光线穿过这种材料时，它的传播速度和方向可以跟我们平时接触到的普通材料完全不同。
这就是为什么它叫“近零折射率”了，因为折射率接近于零，光波的行为简直可以说是被“解放”了。
这种特性在很多领域都有潜力，特别是在无线通信和微波天线的设计上。
而微带天线呢，大家可能会想，这个是不是就跟你家电视机、手机上用的天线差不多？其实它们是同一个家族的，差别就在于微带天线是专门设计来处理高频信号的，它们体积小、轻巧，广泛应用在现代通信系统中。
你要知道，随着技术的发展，微带天线的要求也越来越高。
比如说，要有更高的性能、更好的方向性、还有更小的体积。
传统的微带天线虽然已经够聪明了，但总觉得还可以更聪明一点。
这个时候，近零折射率的超材料就来了，简直是微带天线的“超级英雄”。
二、近零折射率超材料与微带天线的结合你可能会问了，为什么不直接用普通材料来做天线呢？其实普通材料的折射率固定了，光线或者电磁波的传播速度和方向就容易被限制。
尤其是当我们在高频通信中要求更快、更强的信号时，这种限制就暴露了出来。
而近零折射率超材料能带来“超乎常规”的传输能力，电磁波在它里面穿行时，就好像“腾云驾雾”，没那么容易被干扰。
更有意思的是，这种材料还可以控制电磁波的传播方向和方式，帮助微带天线更好地接收和发送信号。
想象一下，我们把这种超材料融入微带天线，简直是给天线加装了一个“高科技大脑”。
这种天线不仅能够提高信号的接收能力，而且还能在特定方向上集中能量，让信号传播得更远、更清晰。
你可能不知道，微带天线的工作频率通常是很高的，所以它对材料的要求也特别严格。
传统材料往往处理不了这么高频的信号，结果就是信号质量不稳定、甚至衰减得特别快。
基于多路径正反馈机制的零折射率超材料高效纳米激光器
基于多路径正反馈机制的零折射率超材料高效纳米激光器张振清;董丽娟;邓富胜;李云辉;许静平;孙勇;陈鸿【期刊名称】《红外与毫米波学报》【年(卷),期】2023(42)1【摘要】对于传统的Fabry-Perot腔激光器,光子在增益介质中沿任意方向传播。
在腔内,只有沿着腔的轴线来回震荡的光子,达到一定的阈值后可以产生激射效应。
然而,对于入射方向偏离反射镜腔壁的光子将从腔中耗散出去,从而使得激射效率较低。
为了解决上述激光器所面临的缺陷,利用等效折射率为负1的负折射材料和零折射率材料组成一个双层结构作为Fabry-Pérot腔壁。
对于此腔,以不同路径入射于腔壁的光子,都可以重新汇聚到原子所在的位置。
经过多次正反馈,最终以垂直于腔壁的方向辐射出去,避免了光子在偏离激射方向上的耗散。
此外,该腔的聚焦效应与准直效应与原子位置无关。
随后,通过二维光子晶体分别实现了由0与-1等效折射率光子晶体组成的反射壁,当在腔中引入增益材料时,可以观察到明显的激射行为。
与单个零折射率材料构成的腔相比,该腔的阈值更低,发射强度更大,从而提高了激射的效率。
【总页数】6页(P72-77)【作者】张振清;董丽娟;邓富胜;李云辉;许静平;孙勇;陈鸿【作者单位】铁道警察学院刑事科学技术系;山西大同大学微结构电磁功能材料山西省重点实验室;同济大学物理科学与工程学院【正文语种】中文【中图分类】TB39【相关文献】1.零折射率“超材料”新纳米结构操控光的传播2.科学家研制零折射率“超材料”新纳米结构能完全操控光的传播3.基于含磁光缺陷的零折射率超材料的可调波导4.科学家构建出零折射率“超材料”新纳米结构能完全操控光的传播5.基于各向异性混合介质近零折射率超材料的高增益微带天线因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
零折射率材料的物理与应用
零折射率材料的物理与应用作者：罗杰1,2 赖耘1(1 南京大学物理学院)(2 苏州大学物理科学与技术学院)摘要零折射率材料因其异常的电磁/光学特性在电磁波操控、新型天线和波导器件、非线性光学、光学吸收、电光调制等领域有着广泛的应用前景。
文章首先介绍了零折射率材料的分类和实现方法，然后总结了零折射率材料的基本概念和电磁/光学特性，包括电磁波在零折射率材料中的折射、反射特性和“隧穿”效应，掺杂杂质对二维和三维体系的零折射率材料的影响，各向异性零折射率的电磁特性，零折射率材料内外的电场分布特性；最后介绍了零折射率材料的部分典型应用，并对零折射率材料的研究进行了展望。
关键词零折射率材料，介电常数近零材料，磁导率近零材料，电磁波操控1 引言根据经典电动力学理论可知，材料的电磁/光学特性取决于材料的介电常数、磁导率和电导率这三个宏观参数，它们共同决定了电磁波/光波与材料的相互作用。
图1 给出了介电常数ε和磁导率μ的参数空间图，自然界中天然物质通常位于第一象限(如电介质)和第二象限(如金属)，由于天然物质对高频电磁波和光波的磁响应往往较弱，因而相对磁导率通常为1，这大大限制了天然物质对电磁波/光波的操控能力。
因此，为了获得具有近乎任意参数的电磁材料来实现对电磁波/光波更大自由度的操控，电磁超材料(metamaterials)的概念于20 世纪末被提出，并兴起于21 世纪初。
电磁超材料是一种由特征尺寸远小于工作波长的结构单元所组成的，且具有自然界材料所不存在的电磁特性的人工电磁材料[1—3]。
作为电磁超材料的一个重要分支，零折射率材料(zero-index media，ZIM)由于其独特的电磁波操控特性成为人们研究的焦点[4—7]。
零折射率材料拥有接近于零的介电常数ε和/或磁导率μ，而折射率通常可以表示为n = ± √εμ [8]，由此可知，当ε和/或μ接近零时，其折射率也将接近零，此时电磁波在零折射率材料中的波长趋于无穷大，传播相位近乎为零，这些特性赋予了零折射率材料超越天然物质的电磁波操控能力。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
光很 难 被挤 压 或操 纵 ，而 这 种统 一相
态让 光 变得 可 以拉 仲 、挤 压或 扭 曲而 不会
大 障碍 ，这种 零 折射 率 材料 为 在不 同波
损失能量。 把零折射率材料整合到芯片上 ，
有望 带 来光 明的应 用前 景 。尤 其 是在 量子 计 算 领域 。 据物 理 学家 组织 网报 道 ，零折 射率 的
速 度会 因 波长 被挤 压 而变小 ， 进人 水 中后 ，
相速度会再变大 ，因为波长被拉 伸。在介
质 中 ，用折 射率 来 表示 光 波波 峰 的速 度减 慢 ，折射 率越 高 ， 对 光波 衍射 的干 扰越 大 ，
把光束直径缩小到纳米级。该校约翰 ・ 波
尔森 工程 与应 用科学 学 院 （ Ｓ Ｅ Ａ Ｓ） 物 理学
自从 １ ０年 前 引入纳 米复 合树 脂 ， ＿ Ｔ程 师们 一 直 在探 索 如何 将其 他 纳米 技术 安 全
地 用 于牙 医诊 所 。产 品包 括 南碳 纳米 管制 成 的抗 菌 剂 ；应 用于 口腔 内与癌 症特 异性
虑赔付保单 ，他们认为复合树脂材料属于
自付 费用 项 目。
如水的折射率约是 ｌ － ３ 。 而在零折射率材料 中，没有波峰波谷
的相 推进 ，这 意 味着光 表 现得 不 再像一 种 运 动波 ，而 是 一种 静止 相 ，所 有 波峰 波 排 成 无 限长 的 波长 。波 峰 和波 谷 只作 为一 种 时 间用 物理 学教 授埃 里 克 ・ 马祖 尔 说 ，这 是控 制 光 的一种 很好 的新方 法 。 “ 这 种芯 片一 卜 ． 超 材料 ，为探 索零 折 射率 物理 学 及 其 在集 成光 学 中的应 用 打开 了大 门。 ”
论文第一作者 、马祖尔 团队博士后研
究 员李扬 （ 音译 ） 说 ，在一 般 的硅波 导 中 ， 光 能约 束软 弱而 无 效 ，是集 成 光子 电路 的
光 掌 精 密 机 械
压 ，液态 天 然 气的储 存 温度 则是 零 下 ｌ ６ ２
摄 氏度 。另 外 ，在 相 同的燃 料箱 容 积 内 ，
２ ０ １ ５年 第 ４期 （ 总第 １ ３ ９期 ）
压缩 天 然 气的能 量密 度至 多 是汽 油 能量 密
度 的＿ 一分之一 ， 前 者 的续航 能 力 明显 不 足 。
导结 构 中约束 电磁 能量 提供 了一 个 解 决 方
案。
相关论文发表在 《自然 ・ 光子学 》杂
志 卜。
新型材料带来 自给 自足能源系统
美 国佛 罗 里达 州立 大 学研 究 人员 在最
要 足够便 宜 以利 于生 产 。 佛 罗里 达州 立 大学 化 学． 工程 副教 授 何 塞 ・ 门多萨一 科 特斯 最初 用氧 化锰 开 发 了一 种 多层 材料 ， 称 为层 状水钠 锰 （ ｈ ｉ ｒ ｎ ｅ ｓ ｓ ｉ ｔ ｅ ） 。 后 来 ，他 和研 究 团 队把 这 种 多层 材料 一 层 层 地剥 离 ，当只剩 一层 时 ，令 人 兴奋 的事
・
９・
光 学精密机械
的速 度 ，称 为相 速度 。这种 光 速快 慢取 决
于 光 通过 的材料 。 比如 光通 过 水 面时 ，相
２ ０ １ ５年 第 ４期 （ 总第 １ ３ ９期 ）
超材料南镀金硅柱阵列嵌在聚合物基体 中
构成 ，能将 硅波 导 与标 准集 成 光子 器 件 、 芯片 接 口耦合 在 一起 ，让 人 们 能在 不 同芯 片之 间操 纵 光 ，挤压 、扭 曲光 线 ，甚 至能
零 折射率超材料
最 近 ，美 国 哈佛大 学 科学 家首 次设 计 出一 种 折射 率 为零 、能整 合在 芯 片上 的超 材料 ， 光在 其 中的速 度可 以达 到 “ 无 限大 ” 。
这 一 成果 为探 索零 折射 率 物理学 及 其在集
成光 学 中的应用 打开 了大 门 。
听起 来这 好像 违反 了相对 论法 则 ，但 实 际上 没有 。宇 宙 中没什 么东 西 能跑 得 比 光 快 ，但光 还 有另 一种 速 度 ，即波 峰运 动
研 究人 员认 为 ，这些 障 碍将 来可 以克 服 ，这 种新 的纳 米牙科 产 晶几 年后 会 被广
为采 用 。
抗 体 相结 合 的量 子点 ，如 果 其检 测 到任 何
有 问题 的细 胞就 会发 光 。
该 论 文合 著者 之 一 、塞 阿拉 联邦 大学
阿毛里 ・ 雅尔德保拉说 ： “ 结合不同介质
型 应 用纳 米技 术 的牙科 材料 将很 快 用于 帮
助 牙 齿 自我修 复 、重 建牙 釉 质 和防 止细 菌 感染。”
米 材料 及其 可能 产生 的任 何 剐作 用 。这 项 新 技术 也可 能 比较 昂贵 ，如 果认 为这 种 治
疗 是美 容项 目的话 ，保 险公 司可 能不 会考
该 研 究成 果 发表 在 《 生 物技 术动 向 》
～
纳米材料可能对健康细胞有毒害作用 ，因
此 ，任 何新 的纳 米材 料被 用 于牙 科治 疗 之 前 ，都 需要 正式 的 临床 试验 才可 以获得批
准 。患 者也 需要 被告 知 ，治疗 中将使 用 纳
Ｋ。研究 人 员说 ： “ 这 只是 一个 开 始 。新
氧 化锆 等 混合 纳 米颗 粒制 成 可修 补牙 齿洞
隙的复合树脂 ，比金属替代 占 占 更类似于牙
本质 ，且 ． 不会 使 牙齿 松 动或 断裂 。这种 纳
米 复 合 树 脂 或 将 引 发 下 一 代 牙 科 材 料 技
术。
和成 本 仍是 其进 入市 场 的障 碍 。 由于 一 些
新 型 纳 米复 合 树脂
巴西 金边 大 学研 究 人员 用二 氧化 硅 和
的纳米 粒子 来修 补釉 质 和牙 本质 ，是 提 高
树脂 修 复质 量和 寿 的关 键 。有个 观 点认 为 ，在 牙科 材料 中加 入纳 米 颗粒 ，可 通 过 其 长期 的释放 来预 防和控 制 口腔疾 病 。” 虽 然纳 米牙 科技 术 发展 迅速 ，安 全 性