负折射率材料的研究概述及其应用进展

宋佳

摘 要：随着人们对负折射率材料的研究逐步深入，对其在日常生活中应用的探索也逐渐加深，使其物理特性得到了优化。文章对负折射率材料的发展历史和其基本原理进行了简要介绍，同时介绍了负折射率材料在各个领域的应用。最后总结认为设计并制作出符合应用条件的实际负折射率材料，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。

关键词：负折射率材料；负折射；左手材料

中图分类号：O734 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）13-0180-02

Abstract： With the further study of negative refractive index materials， the application of negative refractive index materials in daily life has been gradually deepened， and its physical properties have been optimized. In this paper， the development history and basic principle of negative refractive index materials are briefly introduced. At the same time， the applications of negative refractive index materials in various fields are introduced. Finally， it is concluded that it is one of the important development directions of chiral negative refractive index materials in the future to design and fabricate the actual negative refractive index materials in accordance with the application conditions， so as to realize the negative refractive index in the visible light band.

Keywords： negative refractive index material； negative refraction； left-handed material

1 概述

負折射率材料是在某一频段下折射率为负的新型超材料，其最早是作为一种理论假设被人所提出的。1968年，V.G.Veselago第一次提出负折射率介质这一假设，这种介质能够同时具有负的介电常数和磁导率[1]。遗憾的是Veselago提出的理论始终未得到证。1996-1999年，J.B.Pendry利用金属线阵列得到负的介电常数，同时利用开口环共振器阵列能够获得了负的磁导率，他由此进一步将周期远远小于工作波长的金属线阵列与开口环共振器阵列相结合最终得到了负折射率材料[2-4]。至此学界开始认识到负折射率材料存在的可能性。2000年D.R.Smith等人使用以铜为主的复合型材料人工合成制作出世界上第一块在微波阶段内具有负的等效介电常数和负的磁导率的介质[5]。2001年Shelby等人利用已有的负折射率材料

创造性地制造出一种棱镜，首次从实验角度证实了负折射现象的真实存在，并由此实验证明了当光线入射到负折射率介质表面时，折射光线与入射光线分布在分界面法线同一侧[6]。2003年，爱德华州立大学的S.Foteinopoulou也发布了介质为光子晶体的相关负折射理论的仿真研究结果，至此负折射率的实验陆续展开，负折射的概念才被世人广为接受。尽管人们所假象的“完美透镜”已经被证实不可能存在，但能够突破衍射极限成像的“超级透镜”是极有可能存在的，同时这一年在负折射率材料的设计制备上也取得了突破性进展，这些成果使负折射率材料被《Science》杂志评选为2003年度自然科学十大创新性研究进展之一。此后很长一段时间科学界进入了对负折射介质相关领域包括其性质、制备、应用等诸多方面的研究高潮。尤其是在最近几年来，左手材料的研究在理论和应用上都有着显著成绩，并且逐渐改变着我们的生活。

2 负折射率介质基本原理

在介质中传输的电磁波必须满足波动方程，该方程与电磁常数和电磁波参量相关联，Helmholtz方程：

由上式可知，在负折射率介质中电磁波的波矢量K、电场强度E及磁场强度H与常规介质一样，三者均是互相垂直的，然而不同的是常规介质中的E、H和K三者满足的是右手螺旋关系。但是负折射率介质中的E、H和K之间呈左手螺旋关系。所以人们也常把介电常数和磁导率同时为负数的介质称为左手介质。

3 负折射率介质的应用进展

3.1 负折射率介质应用于天线

负折射率介质应用于天线覆层时其工作原理与光学领域的凸透镜极为相似，电磁波在其中传输时散射特性被束缚，只能在垂直方向附近小范围内传输，其他方向传输会被限制。通过适当地选择负折射率介质覆层，将对完善贴片天线的方向性起到关键作用。

法国Fresnel Institute的工作人员利用铜片制作了metamaterial介质系统，其将发散的电磁波汇集在一个狭窄的矩形内，很好地改善了天线的定向辐射特性。Burokur等人针对负折射率介质对微带贴片天线性能的影响进行了研究分析，发现利用左手材料覆层可提高天线的聚焦性和方向性，增益明显提高了2.8dB，改进了天线的性能。另一方面天线基板可采用左手材料与右手材料的复合材料，能够很好的抑制天线边沿辐射，将天线阵元之间的干扰降低，从而增强天线方向性。Bacarelli从理论方面推算讨论了基板的散射方程，给出了用负折射率介质作为天线基板抑制表面波TE模、TM模的条件。

3.2 负折射率介质用于超薄雷达吸收

二维的平面负折射率介质在某些频段内会出现高阻抗表面的特性，Engheta利用此特性设计出一种对电磁波有较强吸收的超薄材料。原理为将电阻载入到高阻抗表面，这样整个表面便会具备纯阻性的表面阻抗，若调整载入的阻值能够令表面阻抗与空气中的波阻抗相近。该结构能够很好的吸收垂直入射的电磁波，对于其他斜入射电磁波尽管依然存在一定程度反射，但反射波也并非按原路返回，因此这种材料表面对电磁波的后向散射截面很小，可作为雷达吸波材料。

4 结束语

负折射率介质的出现在理论上和应用上都开辟了一个崭新的研究领域，随着研究日渐深入，负折射率介质在微波、太赫兹波、红外线及可见光波段已经被证实，并进一步展开应用领域的研究和探索，现在已经能够将负折射率材料运用到电磁隐身、信息存储、移动通信等诸多日常领域。

值得注意的是左手材料研究领域里最重要的难点是设计并制作达到理想应用条件的实际材料，现在的研究大多停留在实验所用的样品且都离不开金属线和环，主要在微波阶段。随着人工光子晶体结构研究的迅速发展，这类负折射率介质完全有可能进入可見光的范围。可以预想到制造出光子晶体结构的负折射率材料具有广阔的应用发展前景。如：根据负折射率介质的反常折射特性制作集成电路里的光引导元件；已制作出双向光波导耦合器件，有望设计出具有更高分辨率的新型光学元件，使之在光学密度存储和加工等方面大规模运用。负折射率介质更深的应用前景正在探索之中，相信不久的将来负折射率材料的应用将会涉及到我们日常生活的方方面面。

参考文献：

[1]Veselago V G. The Electrodynamics of Substances with Simultaneously Negative Values of ？着 and μ[J]. Soviet Physics Uspekhi， 1968，10（4）：509.

[2]Pendry J B， Holden A J， Stewart W J， et al. Extremely low frequency plasmons in metallic mesostructures[J]. Physical Review Letters， 1996，76（25）：4773.

[3]Pendry J B. Low frequency plasmons in thin-wire structures： a commentary[J]. J Phys Condens Matter， 1998，28（48）：481002.

[4]Pendry J B， Holden A J， Robbins D J， et al. Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena[J]. IEEE Trans.microw.theory Tech， 1999，47（11）：2075-2084.

[5]Smith D R， Padilla W J， Vier D C， et al. Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity[J]. Physical Review Letters， 2000， 84（18）：4184.

[6]Shelby R A， Smith D R， Schultz S. Experimental Verification of a Negative Index of Refraction[J]. Science， 2001，292（5514）：77-9.