浅谈负折射率材料的研究进展 毛慧娟

学号*********** 本科毕业论文

学院物理电子工程学院

专业物理学

年级2009级

姓名毛慧娟

论文题目浅谈负折射率材料的研究进展

指导教师张新伟职称讲师

2013年04月26日

目录

摘要 (1)

Abstract (1)

1引言 (1)

2 负折射率材料的异常物理性质 (2)

2.1 群速方向和波矢方向相反 (2)

2.2 负折射现象 (2)

2.3 逆多普勒效应 (2)

2.4 逆Cerenkov辐射 (3)

3 实现负折射率材料的方法 (3)

3.1 双负介质实现负折射 (4)

3.2 手征介质实现负折射 (5)

3.3 光子晶体实现负折射 (6)

4 负折射率材料的应用 (8)

4.1 负折射率材料在军用雷达天线和通信器件中的应用 (8)

4.2 负折射率材料在隐身技术领域中的应用 (10)

4.3 负折射率材料在超灵敏探测仪器中的应用 (11)

4.4 负折射率材料提高空间望远镜分辨率的可行性 (12)

5 结语 (13)

参考文献 (13)

浅谈负折射率材料的研究进展

学生姓名：毛慧娟学号：20095040067

单位：物理电子工程学院专业：物理学

指导老师：张新伟职称：讲师

摘要：本文在介绍负折射率材料的国内外研究发展历程及其异常物理特性的基础上，介绍了负折射产生的原理，阐述了实现负折射率材料的3种主要方法，指出负折射率材料在军用雷达、天线技术、通信系统及器件、隐身技术、超灵敏探测等方面具有极大的应用价值和前景。

关键词：负折射率材料；左手介质；纳米；研究进展

Discussion on the research progress of negative refractive

index materials

Abstract：after the introduction of the development process of negative refractive index materials on the earth and its unusual physical properties in this paper，I introduce the principle of negative refraction and three main approaches to achieve negative refraction materials，pointed out that negative refractive index materials in militarythe radar antenna technology，communications systems and devices，stealth technology，ultra-sensitive detection has great application value and prospect.

Key words：Negative refractive materials；left-handed material；Nano research progress

1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[1]。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，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[2]。2000年美国的Smith等人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。

2 负折射率材料的异常物理性质

2.1 群速方向和波矢方向相反

在普通介质中波矢量方向和电磁波的相位传播矢量方向总是相同的，即相速和群速方向一致，波矢量、磁矢量、电矢量始终构成右手定则。但在负折射率介质中，波矢量和群速方向却正好相反。

2.2 负折射现象

负折射是负折射率材料表现出来的最大特性，也是当今对负折射率材料应用研究的一个主要方向[3]。自然界中，当入射光线穿过两种介质界面时会发生反射和折射现象，这种现象称为“正折射”，如图1所示。若介质1为普通材料，而介质2为负折射率材料时，入射光线1和折射光线3位于界面法线同侧，且折射光线的能流S方向与波矢量K方向相反，被称为“负折射”。负折射率材料的主要特点是改变了光的传播方向。

图1电磁波在正负折射率介质界面上的反射和折射

2.3 逆多普勒效应

在负折射率介质中，由于相速度和群速度方向相反，即能量传播的方向和相位传播的方向相反，频移情况呈逆多普勒效应。如图2所示，在普通介质中探测

器靠近光源时(发射角频率0ω为的电磁波)，探测到的频率会高于0ω，反之将低于0ω，而在负折射率介质中情况正好相反。

图2 两种介质中多普勒效应

2.4 逆Cerenkov 辐射

在真空中匀速运动的带电粒子不产生辐射电磁波，而当带电粒子在介质中匀速运动时会在其周围引起诱导电流，从而在其路径上形成一系列次波源发出次波。当粒子速度超过介质中光速时，这些次波互相干涉，从而辐射出电磁波，称为Cerenkov 辐射。普通介质中，干涉后形成的波前是一个锥面，电磁波能量沿锥面的法线方向向前辐射出去。而在负折射率介质中，能量的传播方向与相速相反，辐射将背向粒子的运动方向发出，形成逆Cerenkov 辐射，如图3所示。

图3 Cerenkov 辐射

3 实现负折射率材料的方法

研究者在具有SRRs 和导线阵列基础上不断优化该实验，制备了各种微波段的负折射率材料，也有人采用电容和电感组合实现负折射，上述两种方法的原理都是通过设计材料使之产生电共振和磁共振使得介电常数和磁导率均为负实现负折射，称之为双负介质，由于光频段电共振和磁共振会产生很大的损耗，很难