負(fù)折射率材料

負(fù)折射率材料一、負(fù)折射率材料歷史及研究現(xiàn)狀負(fù)折射率材料(NIMs,Negativeindexmateri—als)是指一種介電常數(shù)e和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)值的材料，具有負(fù)群速度、負(fù)折射效應(yīng)、逆多普勒效應(yīng)、逆切侖科夫輻射、理想成像等異常的物理性質(zhì)。這種被稱為負(fù)折射率材料(“左手材料”)的人工復(fù)合材料在固體物理、材料科學(xué)、光學(xué)和應(yīng)用電磁學(xué)領(lǐng)域內(nèi)開始獲得愈來愈廣泛的青睞，對其的研究正呈現(xiàn)迅速發(fā)展之勢。負(fù)折射率材料的這些異常特性，使其在固體物理、材料科學(xué)、光學(xué)和應(yīng)用電磁學(xué)領(lǐng)域獲得愈來愈廣泛的青睞，世界各國對其的研究正呈現(xiàn)迅速發(fā)展之勢。到目前為止，負(fù)折射率材料已經(jīng)在微波、太赫茲波、紅外以及可見光波段被證實(shí)，并已經(jīng)開始進(jìn)行應(yīng)用領(lǐng)域的研究與探索。這種負(fù)折射率系數(shù)介質(zhì)的人工復(fù)合材料在理論與實(shí)驗(yàn)上引起了廣泛關(guān)注。早在1967年Veselago首先研究了這種負(fù)折射率系數(shù)材料(left—handedmedia)，他用方程證明這種材料具有負(fù)的光學(xué)折射率。由于傳統(tǒng)材料的折射率為正數(shù)，我們通常稱這種材料為正折射率材料。負(fù)折射率材料具有一些奇特的光學(xué)與電磁學(xué)性質(zhì)，比如Doppler效應(yīng)與Cherenkov輻射的逆轉(zhuǎn)、交界面上的反常折射、原子自發(fā)輻射率的特殊改變等現(xiàn)象在負(fù)折射率材料中都會出現(xiàn)。電磁波在這種材料中的傳播特性與在一般材料中相比有很大的不同。負(fù)折射率材料的出現(xiàn)，顛覆了?般材料中所普遍遵循的“右手規(guī)律”。而它的出現(xiàn)卻是源于上世紀(jì)60年代前蘇聯(lián)科學(xué)家的假想。物理學(xué)中，介電常數(shù)e和磁導(dǎo)率p是描述均勻媒質(zhì)中電磁場性質(zhì)的最基本的兩個(gè)物理量。在已知的物質(zhì)世界中，對于電介質(zhì)而言，介電常數(shù)e和磁導(dǎo)率u都為正值，電場、磁場和波矢三者構(gòu)成右手關(guān)系，這樣的物質(zhì)被稱為右手材料(right-handexlmalefials，RHM)。這種右手規(guī)則一直以來被認(rèn)為是物質(zhì)世界的常規(guī)，但這一常規(guī)卻在上世紀(jì)60年代開始遭遇顛覆性的挑戰(zhàn)。1968年，前蘇聯(lián)物理學(xué)家Veselago在前蘇聯(lián)一個(gè)學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表了一篇論文，首次報(bào)道了他在理論研究中對物質(zhì)電磁學(xué)性質(zhì)的新發(fā)現(xiàn)，艮即當(dāng)e和肛都為負(fù)值時(shí)，電場、磁場和波矢之間構(gòu)成左手關(guān)系。他稱這種假想的物質(zhì)為左手材料(1eft.handedmaterials，LHM)，同時(shí)指出，電磁波在這種材料中的行為與在右手材料中相反，比如光的負(fù)折射、負(fù)的切連科夫效應(yīng)、反多普勒效應(yīng)等。這篇論文引起了一位英國人的關(guān)注，1968年被譯成英文重新發(fā)表在另一個(gè)前蘇聯(lián)物理類學(xué)術(shù)刊物上，但幾乎無人意識到，材料世界將從此翻開新的一頁。負(fù)折射率材料的研究發(fā)展并不一帆風(fēng)順。在這一具有顛覆性的概念被提出后的三十年里，盡管它有很多新奇的性質(zhì)，但由于只是停留在理論上，而在自然界中并未發(fā)現(xiàn)實(shí)際的負(fù)折射率材料，所以，這個(gè)假設(shè)并沒有立刻被人們接受，而是處于幾乎無人理睬的境地，直到時(shí)光將近本世紀(jì)時(shí)才開始出現(xiàn)轉(zhuǎn)機(jī)。原因在于英國科學(xué)家Pendry等人在1998?1999年提出了用周期性排列的金屬條和金屬諧振環(huán)(Split2RingResonator)可以在微波波段產(chǎn)生負(fù)的等效介電常數(shù)和負(fù)等效磁導(dǎo)率階，從此以后，人們開始對這種材料投入了越來越多的興趣。2001年的突破，使負(fù)折射率材料的研究在世界上漸漸呈現(xiàn)旋風(fēng)之勢。2001年，美國加州大學(xué)SanDiego分校的DavidSmith等物理學(xué)家根據(jù)Pendry等人的建議，利用以錒為豐的復(fù)合材料首次制造出在微波波段具有負(fù)介電常數(shù)、負(fù)磁導(dǎo)率的物質(zhì)，他們使一束微波射入銅環(huán)和銅線構(gòu)成的人工介質(zhì)，微波以負(fù)角度偏轉(zhuǎn)，從而證明了負(fù)折射牢材料的存在。2002年7月，瑞士ETHZ實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們宣布制造出三維的負(fù)折射率材料。這將可能對電子通訊業(yè)產(chǎn)牛熏大影響，相關(guān)研究成果也發(fā)表在當(dāng)月的美國《應(yīng)用物理快報(bào)》上。2002年底，麻省理工學(xué)院孔金甌教授從理論上證明了負(fù)折射率材料存在的合理性，并稱這種人工介質(zhì)可用來制造高指向性的天線、聚焦微波波束、實(shí)現(xiàn)“完美透鏡”、用于電磁波隱身等等。負(fù)折射率材料的前景開始引發(fā)學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界尤其是軍方的無限遐想。2003年是負(fù)折射率材料研究獲得多項(xiàng)突破的一年。美國西雅圖BoeingPhantomWorks的C.Parazzoli與加拿大UniversityofToronto電機(jī)系的GEleftheriades所領(lǐng)導(dǎo)的兩組研究人員在實(shí)驗(yàn)中直接觀測到了負(fù)折射定律；IowaStateUniversity的s.Foteinopoulou也發(fā)表了利用光子品體做為介質(zhì)的負(fù)折射率物質(zhì)理論仿真的結(jié)果；美國麻省理工學(xué)院的E.Cubukcu和K.Aydin在《自然》雜志發(fā)表了文章，描述了電磁波在二維光予晶體中的負(fù)折射現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)結(jié)果?；诳茖W(xué)家們的多項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，負(fù)折射率材料的研制赫然進(jìn)入了美國《科學(xué)》雜志評出的2003年度全球十大科學(xué)進(jìn)展，引起全球矚目。2004年，我國“973”光子晶體項(xiàng)目首席科學(xué)家、復(fù)旦大學(xué)的資劍教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組經(jīng)過兩年的研究與巧妙設(shè)計(jì)，利用水的表面波散射成功實(shí)現(xiàn)了負(fù)折射率介質(zhì)超平面成像實(shí)驗(yàn)，論文發(fā)表于著名的《美國物理評論》雜志上，即刻引起學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注，被推薦作為《自然》雜志焦點(diǎn)新聞之一。同濟(jì)大學(xué)波耳固體物理研究所以陳鴻教授為首的研究小組從2001年開始對負(fù)折射率材料展開研究，經(jīng)過兩年的研究，在基礎(chǔ)理論和材料的制備與表征方面取得了重大進(jìn)展，成果在國際物理學(xué)著名刊物上發(fā)表，2004年在國際微波與毫米波技術(shù)大會上作大會報(bào)告，并在2005年日本召開的國際微波與光學(xué)技術(shù)研討會上作邀請報(bào)告。在我國，負(fù)折射率材料的研究已引起科學(xué)界的密切關(guān)注。復(fù)旦大學(xué)、香港科技大學(xué)、中科院物理研究所、南京大學(xué)、北京大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等單位均有科學(xué)家先行涉足這一領(lǐng)域的研究。國家自然科學(xué)基金委將負(fù)折射率材料和負(fù)折射效應(yīng)的研究列入了2005年重點(diǎn)交叉項(xiàng)目指南中，在數(shù)理部和工程與材科學(xué)部聯(lián)合的“準(zhǔn)相位匹配研究中的若干前沿課題”主題中將“左手材料相關(guān)基礎(chǔ)性問題研究”列為主要探索內(nèi)容之一，在數(shù)理部和信息科學(xué)部聯(lián)合的“周期和非周期微結(jié)構(gòu)的新光子學(xué)特性”主題中將“周期及非周期微結(jié)構(gòu)中在太赫茲、近紅外及可見波段的負(fù)折射效應(yīng)研究”列為主要探索內(nèi)容之一。同時(shí)，基金委信息學(xué)部將“異向介質(zhì)理論與應(yīng)用基礎(chǔ)研究”列入重點(diǎn)項(xiàng)目指南。二、負(fù)折射率材料異常的物理性質(zhì)負(fù)折射是負(fù)折射率材料表現(xiàn)出來的最大特性，也是當(dāng)今對負(fù)折射率材料應(yīng)用研究的一個(gè)主要方向。自然界中，當(dāng)入射光線穿過兩種介質(zhì)界面時(shí)會發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為“正折射”，如下圖所示。若介質(zhì)1為普通材料，而介質(zhì)2為負(fù)折射率材料時(shí)，入射光線1和折射光線3位于界面法線同側(cè)，且折射光線的能流S方向與波矢量K方向相反，被稱為“負(fù)折射”。負(fù)折射率材料的主要特點(diǎn)是改變了光的傳播方向。

y反射波入射波介質(zhì)i介質(zhì)2負(fù)折射正折射在負(fù)折射率介質(zhì)中，群速度方向相反，即能量傳播的方向圖3y反射波入射波介質(zhì)i介質(zhì)2負(fù)折射正折射在負(fù)折射率介質(zhì)中，群速度方向相反，即能量傳播的方向圖3所示，在普通介質(zhì)中速度和探測器靠近光源時(shí)（發(fā)射角頻率為叫。的電磁波），探測到的頻率會高于8。，反之將低于8。，而在負(fù)折射率介質(zhì)中正好相反。在真空中勻速運(yùn)動的帶電粒子不產(chǎn)生輻射電磁波，而當(dāng)帶電粒子在介質(zhì)中勻速運(yùn)動時(shí)會在其周圍引起誘導(dǎo)電流，從而在其路徑上形成一系列次波源發(fā)出次波。粒子速度超過介質(zhì)中光速時(shí)，這些次波互相干涉，從而輻射出電磁波，稱為Cerenkov輻射。普通介質(zhì)中，干涉后形成的波前是一個(gè)錐面，電磁波能量沿錐面的法線方向向前輻射出去。而在負(fù)折射率介質(zhì)中，能量的傳播方向與相速相反，輻射將背向粒子的運(yùn)動方向發(fā)出，形成逆Cerenkov輻射，如下圖所示。

(a)正常介質(zhì)中三(a)正常介質(zhì)中三、負(fù)折射率材料應(yīng)用(b)貝折射材料中第一，軍事隱形技術(shù)方面的應(yīng)用。往往最先進(jìn)的技術(shù)總是會在軍事方面最先嶄露頭角，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，未來戰(zhàn)場的各種武器系統(tǒng)面臨著嚴(yán)峻的威脅，隱身技術(shù)作為提高武器系統(tǒng)生存能力的有效手段，受到世界各國的高度重視，一直是各國科學(xué)家致力于研究的一個(gè)重要方向。隱身技術(shù)是通過控制武器系統(tǒng)或作戰(zhàn)平臺的信號特征，使其難以被發(fā)現(xiàn)、識別和跟蹤打擊的技術(shù)。目前各國的隱身技術(shù)，主要是利用各種吸波、透波材料實(shí)現(xiàn)對雷達(dá)的隱形；采用紅外遮擋與衰減裝置、涂敷材料等降低紅外輻射強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)對紅外探測器的隱身；在可見光隱形上，只是靠涂抹迷彩或歪曲兵器的外形等初級的方法。負(fù)折射率材料在其特性頻帶范圍內(nèi)對電磁波有較高的傳輸，即實(shí)現(xiàn)電磁波從原來的禁帶到導(dǎo)帶的轉(zhuǎn)變，可以有效地降低特定頻帶范圍的電磁波反射。利用負(fù)折射率材料制造的武器系統(tǒng)或作戰(zhàn)平臺可以將光線或雷達(dá)波反向散射出去，使得從正面接收不到反射的光線或電磁波，從而在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)武器系統(tǒng)或作戰(zhàn)平臺真正意義上的隱身。電磁波在負(fù)折射率材料中的傳播路線下圖所示為美國杜克大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系D.R.Smith教授等人和英國帝國學(xué)院物理系J.B.Pendry教授等人合作，基于人工電磁材料在微波頻段設(shè)計(jì)的一個(gè)二維電磁波傳播路徑圖，圓環(huán)內(nèi)的部分代表負(fù)折射率材料，實(shí)線代表波的傳播，可以看出，電磁波在材料內(nèi)部發(fā)生了彎曲，從整個(gè)大圓壓縮到圓環(huán)內(nèi)，在中間形成一個(gè)沒有波傳播的“空洞”。人之所以能看見物體，是因?yàn)樵撐矬w阻擋了光線，并將其反射全人眼；雷達(dá)則是利用發(fā)射電磁波遇到物體反射回來，形成一個(gè)可以探測到的影子。而電磁波或光波對于負(fù)折射率材料覆蓋的空間既沒有波的折射，也沒有散射，而是繞過“空洞”傳播，如果將物體放在洞中，因?yàn)闆]有波觸及物體，也就沒有攜帶關(guān)于物體信息的波被反射回來，因此人或雷達(dá)等也就不可能發(fā)現(xiàn)物體，從而使物體產(chǎn)生了視覺隱身電磁波在負(fù)折射率材料中的傳播路線2006年，。SchurigEz展示了一種利用負(fù)折射率特性的“隱身斗篷”的雛形?！半[身斗篷”的基本原理是：通過在物體表面包覆一層負(fù)折射率材料，這樣入射光或電磁波將被彎曲，并且繞過包覆層，從而出現(xiàn)隱形的結(jié)果?！半[身斗篷”內(nèi)的物體就好像在空間中挖開了一個(gè)洞，任何光和電磁波將直接穿透這個(gè)洞，從而不會看到斗篷中隱藏的物體。“隱身斗篷”將不僅僅被應(yīng)用于“隱身”，憑借它的幫助，任何電磁信號都可以更為有效地繞開干擾和阻隔，從而保持信號的完整性。因此，“隱身斗篷”在抗電磁干擾器件中也將有廣闊的應(yīng)用前景。從近年來負(fù)折射率材料在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展情況看，未來負(fù)折射率材料在電磁隱身、可見光隱身和聲隱身方面將具有廣泛的應(yīng)用前景，并有可能替代現(xiàn)有的各種隱身技術(shù)，廣泛應(yīng)用于航天器、軍用飛機(jī)、海軍艦艇、地面戰(zhàn)車以及重要軍事設(shè)施和士兵隱身等領(lǐng)域，導(dǎo)致一場軍事隱身技術(shù)領(lǐng)域的革命，使目前的各種軍用探測設(shè)備失去作用，在未來戰(zhàn)場上給技術(shù)落后一方帶來災(zāi)難性后果。第二，負(fù)折射率材料在超靈敏探測儀器中的應(yīng)用顯微鏡、放大鏡等光學(xué)器件的制造一直被一條光學(xué)規(guī)律所限制：無論光學(xué)儀器的鏡片多么精良，任何小于光的一個(gè)波長長度的物質(zhì)都是無法觀察到的。利用負(fù)折射率材料制成的透鏡卻能克服這個(gè)問題，制作成“理想”透鏡［2引，它不僅和常規(guī)的介質(zhì)一樣能會聚行波，而且還能聚焦隨距離增加快速衰減的衰減波。一般會聚透鏡的工作原理是將透鏡一側(cè)的光源通過具有一定曲度的材料將光源的圖像重新會聚于透鏡的另一側(cè)，根據(jù)Snell定律，一般透鏡的解析度都受限于物體表面輻射源所散射出的消散波的損失，其值隨著垂直表面的距離作指數(shù)衰減，在成像時(shí)，這些隨距離消散的波相位將損失掉，而產(chǎn)生相差，這也是普通介質(zhì)透鏡無法克服的問題。對于如圖7所示的負(fù)折射率材料平板透鏡而言，依照Snell定律，所有點(diǎn)波源發(fā)散的波都會重新會聚到平板介質(zhì)中的某一點(diǎn)，相位不會有部分遺失。根據(jù)Fresnel定律可以驗(yàn)證，入射板狀結(jié)構(gòu)負(fù)折射率材料的電磁波對于消散場的衰減可被抵消掉，即電磁波的振幅經(jīng)介質(zhì)后仍能調(diào)回原振幅，使得橫向波的相位不因振幅衰減而失真，從而突破了一般透鏡成像的極限。利用負(fù)折射率材料的理想透鏡特點(diǎn)，制作微型分光儀、超靈敏單分子探測器、磁共振成像設(shè)備及新型的光學(xué)器件，可用于進(jìn)行具有危險(xiǎn)性的生物化學(xué)藥劑探測、微量污染探測、生物安全成像、生物分子指紋識別，以及遙感、惡劣天氣條件下的導(dǎo)航等。另外利用負(fù)折射率材料負(fù)折射和倏逝波放大特性，可以制作集成光路里的光引