一种折射率近零超材料的设计、制作和表征
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Ｉ ｌ Ｏ ｌ
。
Ｓ ｉ ｌ ｖ ｅ ｉ ｒ ｉ ｎ ｈ ａ ｔ “ ） 等学 者 首先 提 出利 用 Ｅ Ｎ Ｚ压 缩 电磁 波 ， 制 成亚 波 长隧 道 和弯道 ， 从 而 实 现 电磁 波辐 射模
式 的转 变 ； Ａ ｌ ｕ ｔ ２ １ 等学 者 通 过分 析 Ｅ Ｎ Ｚ材 料 表 面对 电磁 波相 位 的影 响 ， 提 出可 以利 用 Ｅ Ｎ Ｚ调 整 辐射 波 的
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
自然界 中存 在很 多天 然材 料 ， 我们 把具 有这 些 天然材 料 所不 具 备 的超 常 物理 性质 的人 工 复合 材料 统 称 为超 材料 ， 因为超 材料结 构 的周 期远 小 于 电磁 波 波长 ， 利 于实 现器 件 的小型 化 和集成 化 ， 所 以利 用具 有 特殊 功 能 的人工结 构 制成 超材 料 已经成 为 近年 来科 学研 究 的热 点之 一 。在 电磁学 理论 中 ， 介 电常 数 ￡和
波阵 面 ： Ｈ ａ ｏ ｔ ” 】 等 学 者 已经 证 明 了 Ｔ Ｍ 波 的全 反 射 和全 透 射 可 以通 过分 别 在 Ｉ Ｎ Ｚ材 料 中嵌入 完 美 磁导 体
一
种 。 目前 常见 的近 零超 材 料分 为 三种 ： 介 电常数 近零 超 材料 （ Ｅ 源自文库 Ｚ） 、 磁 导率 近 零超 材料 （ ＭＮ Ｚ ） 、 折 射 率
近零 超材 料 （ Ｉ Ｎ Ｚ ） 。 近年来 ， 各 种新 型 的使 用 Ｅ Ｎ Ｚ和 Ｉ Ｎ Ｚ的 波操纵 现 象 已经逐 渐被科 学 家们发 现 和使用 ， 零 折 射率 超材 料具 有波 传播 时无 空 间相 位变 化 的特点 。 这 种特 殊 的材 料在 波操 纵方 面 有许 多有 趣 的实验
第 ２ ７卷 第 １ 期
２ ０１ ４ 年 １ 月
浙 江万 里 学 院 学报
Ｊ ｏ ｕ ｍａ ｌ ｏ ｆ Ｚ ｈ ｅ ｉ ｉ ａ ｎ ￣ Ｗａ ｎ ｌ ｉ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ
Ｖｏ１ ． ２ ７ Ｎｏ ． １
Ｊ ａ ｎ ｕ ａ ｒ ｙ ２ ０１ ４
一
种 折射 率近零超 材料 的设计 、 制作 和表征
冯 潇讳 。 ，顾 辰 东 ，李 肃 成 ，侯 波 ，顾 邦 明
（ １ ．苏 州 大 学 ，江 苏 苏 州 ２ １ ５ ０ ０ ６ ；２ ． 浙 江万 里 学 院 ，浙 江 宁 波 ３ １ ５ １ ０ １ ）
摘 要 ：利 用 人 工 结构 制 成 的超 材 料 能 够 实 现 天 然 材料 所 不具 备 的 特 性 ， 电磁 超 材 料 作 为一 个 新 兴 、 多学 科 交 叉 领域 ， 在 理 论 探 究 和实 验 证 明上 都 已 成 为 近 年来 科 学 研究 的 热 点 之 一 ， 除 单 负 和双 负材 料 之 外 ， 电 磁 参 数 近零 的 超 材料 因其 在 光学 隐 身 、 天线雷达 、 军 事 等方 面 的应 用 也 受 到科 学 家 的 广泛 关 注 。 本 文利 用 共 振 的 Ｈ 分 形 结 构设 计 制 作 了 在微 波 频 段 下 折 射 率 分 布 在【 ０ ， １ 】 之 间 的微 波 超 材 料 ， 而 且 利 用 微 波 波 导 传 输 线 对 多 种 变 化 尺 度 的 晶 胞 结 构进 行 电磁 参 数 的测 量 ． 得 到 了每种 晶胞 结 构 对 应 的 ｘ 波段 折 射 率频 谱 ， 通过 研 究 晶胞 结 构 单元 的等 效 电 磁 参 数 实现 了一 种 折射 率 近 零 超材 料 ． 从 而为 实 现 近零 折 射 率 分 布 的 变换 光 学 器件 如 Ｉ ｎ ｓ ｉ ｄ ｅ — ｏ ｕ ｔ Ｅ ａ ｔ ｏ ｎ Ｌ ｅ ｎ ｓ 的 实 验研 制 提供 了材 料 选 择 。 关 键 词 ：变 换 光 学 ；超 材料 ；分 形 结 构 ；折 射 率 近 零 ；单 个 晶胞 结 构 中图 分 类号 ：０ ４ — ３ ３ 文献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１ ６ ７ １ — ２ ２ ５ ０｛ ２ ０ １ ４） 叭一 ０ ０ ８ ５ — ０ ６
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式 的转 变 ； Ａ ｌ ｕ ｔ ２ １ 等学 者 通 过分 析 Ｅ Ｎ Ｚ材 料 表 面对 电磁 波相 位 的影 响 ， 提 出可 以利 用 Ｅ Ｎ Ｚ调 整 辐射 波 的
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
自然界 中存 在很 多天 然材 料 ， 我们 把具 有这 些 天然材 料 所不 具 备 的超 常 物理 性质 的人 工 复合 材料 统 称 为超 材料 ， 因为超 材料结 构 的周 期远 小 于 电磁 波 波长 ， 利 于实 现器 件 的小型 化 和集成 化 ， 所 以利 用具 有 特殊 功 能 的人工结 构 制成 超材 料 已经成 为 近年 来科 学研 究 的热 点之 一 。在 电磁学 理论 中 ， 介 电常 数 ￡和
波阵 面 ： Ｈ ａ ｏ ｔ ” 】 等 学 者 已经 证 明 了 Ｔ Ｍ 波 的全 反 射 和全 透 射 可 以通 过分 别 在 Ｉ Ｎ Ｚ材 料 中嵌入 完 美 磁导 体
一
种 。 目前 常见 的近 零超 材 料分 为 三种 ： 介 电常数 近零 超 材料 （ Ｅ 源自文库 Ｚ） 、 磁 导率 近 零超 材料 （ ＭＮ Ｚ ） 、 折 射 率
近零 超材 料 （ Ｉ Ｎ Ｚ ） 。 近年来 ， 各 种新 型 的使 用 Ｅ Ｎ Ｚ和 Ｉ Ｎ Ｚ的 波操纵 现 象 已经逐 渐被科 学 家们发 现 和使用 ， 零 折 射率 超材 料具 有波 传播 时无 空 间相 位变 化 的特点 。 这 种特 殊 的材 料在 波操 纵方 面 有许 多有 趣 的实验
第 ２ ７卷 第 １ 期
２ ０１ ４ 年 １ 月
浙 江万 里 学 院 学报
Ｊ ｏ ｕ ｍａ ｌ ｏ ｆ Ｚ ｈ ｅ ｉ ｉ ａ ｎ ￣ Ｗａ ｎ ｌ ｉ Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ
Ｖｏ１ ． ２ ７ Ｎｏ ． １
Ｊ ａ ｎ ｕ ａ ｒ ｙ ２ ０１ ４
一
种 折射 率近零超 材料 的设计 、 制作 和表征
冯 潇讳 。 ，顾 辰 东 ，李 肃 成 ，侯 波 ，顾 邦 明
（ １ ．苏 州 大 学 ，江 苏 苏 州 ２ １ ５ ０ ０ ６ ；２ ． 浙 江万 里 学 院 ，浙 江 宁 波 ３ １ ５ １ ０ １ ）
摘 要 ：利 用 人 工 结构 制 成 的超 材 料 能 够 实 现 天 然 材料 所 不具 备 的 特 性 ， 电磁 超 材 料 作 为一 个 新 兴 、 多学 科 交 叉 领域 ， 在 理 论 探 究 和实 验 证 明上 都 已 成 为 近 年来 科 学 研究 的 热 点 之 一 ， 除 单 负 和双 负材 料 之 外 ， 电 磁 参 数 近零 的 超 材料 因其 在 光学 隐 身 、 天线雷达 、 军 事 等方 面 的应 用 也 受 到科 学 家 的 广泛 关 注 。 本 文利 用 共 振 的 Ｈ 分 形 结 构设 计 制 作 了 在微 波 频 段 下 折 射 率 分 布 在【 ０ ， １ 】 之 间 的微 波 超 材 料 ， 而 且 利 用 微 波 波 导 传 输 线 对 多 种 变 化 尺 度 的 晶 胞 结 构进 行 电磁 参 数 的测 量 ． 得 到 了每种 晶胞 结 构 对 应 的 ｘ 波段 折 射 率频 谱 ， 通过 研 究 晶胞 结 构 单元 的等 效 电 磁 参 数 实现 了一 种 折射 率 近 零 超材 料 ． 从 而为 实 现 近零 折 射 率 分 布 的 变换 光 学 器件 如 Ｉ ｎ ｓ ｉ ｄ ｅ — ｏ ｕ ｔ Ｅ ａ ｔ ｏ ｎ Ｌ ｅ ｎ ｓ 的 实 验研 制 提供 了材 料 选 择 。 关 键 词 ：变 换 光 学 ；超 材料 ；分 形 结 构 ；折 射 率 近 零 ；单 个 晶胞 结 构 中图 分 类号 ：０ ４ — ３ ３ 文献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１ ６ ７ １ — ２ ２ ５ ０｛ ２ ０ １ ４） 叭一 ０ ０ ８ ５ — ０ ６