淺談負(fù)折射率材料的研究進(jìn)展

.PAGE*;;學(xué)號(hào)20095040067本科畢業(yè)論文學(xué)院物理電子工程學(xué)院專業(yè)物理學(xué)年級(jí)2009級(jí)姓名毛慧娟論文題目淺談負(fù)折射率材料的研究進(jìn)展指導(dǎo)教師張新偉職稱講師20目錄摘要 1Abstract 11引言 12負(fù)折射率材料的異常物理性質(zhì) 22.1群速方向和波矢方向相反 22.2負(fù)折射現(xiàn)象 22.3逆多普勒效應(yīng) 32.4逆Cerenkov輻射 33實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率材料的方法 33.1雙負(fù)介質(zhì)實(shí)現(xiàn)負(fù)折射 43.2手征介質(zhì)實(shí)現(xiàn)負(fù)折射 53.3光子晶體實(shí)現(xiàn)負(fù)折射 64負(fù)折射率材料的應(yīng)用 84.1負(fù)折射率材料在軍用雷達(dá)天線和通信器件中的應(yīng)用 84.2負(fù)折射率材料在隱身技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用 104.3負(fù)折射率材料在超靈敏探測(cè)儀器中的應(yīng)用 114.4負(fù)折射率材料提高空間望遠(yuǎn)鏡分辨率的可行性 125結(jié)語 13參考文獻(xiàn) 13PAGEPAGE14淺談負(fù)折射率材料的研究進(jìn)展學(xué)生姓名：毛慧娟學(xué)號(hào)：20095040067單位：物理電子工程學(xué)院專業(yè)：物理學(xué)指導(dǎo)老師：張新偉職稱：講師摘要：本文在介紹負(fù)折射率材料的國(guó)內(nèi)外研究發(fā)展歷程及其異常物理特性的基礎(chǔ)上，介紹了負(fù)折射產(chǎn)生的原理，闡述了實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率材料的3種主要方法，指出負(fù)折射率材料在軍用雷達(dá)、天線技術(shù)、通信系統(tǒng)及器件、隱身技術(shù)、超靈敏探測(cè)等方面具有極大的應(yīng)用價(jià)值和前景。關(guān)鍵詞：負(fù)折射率材料；左手介質(zhì)；納米；研究進(jìn)展DiscussionontheresearchprogressofnegativerefractiveindexmaterialsAbstract：aftertheintroductionofthedevelopmentprocessofnegativerefractiveindexmaterialsontheearthanditsunusualphysicalpropertiesinthispaper，Iintroducetheprincipleofnegativerefractionandthreemainapproachestoachievenegativerefractionmaterials，pointedoutthatnegativerefractiveindexmaterialsinmilitarytheradarantennatechnology，communicationssystemsanddevices，stealthtechnology，ultra-sensitivedetectionhasgreatapplicationvalueandprospect.Keywords：Negativerefractivematerials；left-handedmaterial；Nanoresearchprogress1引言近幾年，一種稱為負(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)上引起了廣泛的關(guān)注。1968年，前蘇聯(lián)物理學(xué)家Veselago提出了“左手材料”的概念，這種負(fù)折射材料具有負(fù)的介電常量與磁導(dǎo)率，那么電矢量，磁矢量和波矢之間構(gòu)成左手系關(guān)系，這區(qū)別于傳統(tǒng)材料中的右手系[1]。由于自然界沒有介電常量和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)的材料，并且也沒有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，負(fù)折射材料沒有得到長(zhǎng)足的發(fā)展。1996年，英國(guó)的Pendry指出可以用細(xì)金屬導(dǎo)線陣列構(gòu)造介電常數(shù)為負(fù)的人工媒質(zhì)，1999年又指出可以用諧振環(huán)陣列構(gòu)造磁導(dǎo)率為負(fù)的人工媒質(zhì)[2]。2000年美國(guó)的Smith等人以銅為主的復(fù)合材料制造出了世界上第一塊在微波波段等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)數(shù)的介質(zhì)材料，從而證明了負(fù)折射材料的存在。2負(fù)折射率材料的異常物理性質(zhì)2.1群速方向和波矢方向相反在普通介質(zhì)中波矢量方向和電磁波的相位傳播矢量方向總是相同的，即相速和群速方向一致，波矢量、磁矢量、電矢量始終構(gòu)成右手定則。但在負(fù)折射率介質(zhì)中，波矢量和群速方向卻正好相反。2.2負(fù)折射現(xiàn)象負(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(duì)負(fù)折射率材料應(yīng)用研究的一個(gè)主要方向[3]。自然界中，當(dāng)入射光線穿過兩種介質(zhì)界面時(shí)會(huì)發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為“正折射”，如圖1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。圖1電磁波在正負(fù)折射率介質(zhì)界面上的反射和折射2.3逆多普勒效應(yīng)在負(fù)折射率介質(zhì)中，由于相速度和群速度方向相反，即能量傳播的方向和相位傳播的方向相反，頻移情況呈逆多普勒效應(yīng)。如圖2所示，在普通介質(zhì)中探測(cè)器靠近光源時(shí)(發(fā)射角頻率為的電磁波)，探測(cè)到的頻率會(huì)高于，反之將低于，而在負(fù)折射率介質(zhì)中情況正好相反。圖2兩種介質(zhì)中多普勒效應(yīng)2.4逆Cerenkov輻射在真空中勻速運(yùn)動(dòng)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(dòng)時(shí)會(huì)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。當(dāng)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(dòng)方向發(fā)出，形成逆Cerenkov輻射，如圖3所示。圖3Cerenkov輻射3實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率材料的方法研究者在具有SRRs和導(dǎo)線陣列基礎(chǔ)上不斷優(yōu)化該實(shí)驗(yàn)，制備了各種微波段的負(fù)折射率材料，也有人采用電容和電感組合實(shí)現(xiàn)負(fù)折射，上述兩種方法的原理都是通過設(shè)計(jì)材料使之產(chǎn)生電共振和磁共振使得介電常數(shù)和磁導(dǎo)率均為負(fù)實(shí)現(xiàn)負(fù)折射，稱之為雙負(fù)介質(zhì)，由于光頻段電共振和磁共振會(huì)產(chǎn)生很大的損耗，很難實(shí)現(xiàn)光頻段負(fù)折射；此后人們尋求了一些新的方法來制備負(fù)折射復(fù)合材料，使之向光頻段過渡，其中最突出的是手征材料和光子晶體材料。3.1雙負(fù)介質(zhì)實(shí)現(xiàn)負(fù)折射負(fù)折射率實(shí)現(xiàn)的傳統(tǒng)方法是實(shí)現(xiàn)SRRs和導(dǎo)線陣列的優(yōu)化組合。Pendry指出周期排列的金屬細(xì)線對(duì)電磁波的響應(yīng)與等離子體(具有負(fù)相對(duì)介電常數(shù))很相似，因?yàn)殡姶艌?chǎng)在金屬細(xì)線上產(chǎn)生感應(yīng)電流，正負(fù)電荷向細(xì)線兩端移動(dòng)，形成了感生電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)電磁波的電場(chǎng)極化方向與金屬線平行時(shí)起高通濾波作用，在低于電等離子體頻率時(shí)其呈現(xiàn)負(fù)相對(duì)介電常數(shù)；尺寸遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的導(dǎo)電開口諧振環(huán)，具有負(fù)的相對(duì)磁導(dǎo)率，因?yàn)殚_口諧振環(huán)受到微波磁場(chǎng)的作用能產(chǎn)生感應(yīng)環(huán)電流，形成一個(gè)磁矩，在諧振頻率處能形成負(fù)磁導(dǎo)率。其滿足下式：式中：是電等離子頻率，是電諧振頻率，當(dāng)頻率位于兩者之間時(shí)出現(xiàn)負(fù)介電常數(shù)。F為SRRs的填充因子，是SRRs的諧振頻率，是磁等離子頻率，為損耗因子。當(dāng)頻率位于和之間時(shí)，能產(chǎn)生負(fù)的磁導(dǎo)率。通過設(shè)計(jì)可使頻率處于既能產(chǎn)生負(fù)介電常數(shù)又能形成負(fù)磁導(dǎo)率的一個(gè)共同區(qū)域內(nèi)，形成雙負(fù)的負(fù)折射率介質(zhì)。Smith等在上述方法的基礎(chǔ)上，將導(dǎo)線陣列和SRRs組合起來，分別激發(fā)電共振和磁共振，首次獲得了波頻段4.2－4.6GHz介電常數(shù)和磁導(dǎo)率均為負(fù)的人工負(fù)折射率材料。A.N.lagarkov和KorayAydin還分別設(shè)計(jì)了螺旋式和葫蘆式單元結(jié)構(gòu)負(fù)折射材料。Grbic等采用電容與電阻的組合實(shí)現(xiàn)了雙負(fù)介質(zhì)。WangFu等以獨(dú)特的結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成了雙負(fù)介質(zhì)，其最大的特點(diǎn)是把底層的玻璃基質(zhì)換成了金屬Au，然后在上面放置一對(duì)Au金屬條，該設(shè)計(jì)能在紅外波段49.2－60.7um實(shí)現(xiàn)負(fù)折射。近幾年來，研究者把納米科技應(yīng)用到雙負(fù)介質(zhì)的設(shè)計(jì)中，分別實(shí)現(xiàn)了光頻段的磁共振和電共振，但始終很難實(shí)現(xiàn)光頻段負(fù)折射現(xiàn)象，直到雙金屬線的出現(xiàn)。但由于其大損耗的原因，很難應(yīng)用于實(shí)踐。VladimirM.Shalaev等采用電子束刻蝕技術(shù)，在玻璃基質(zhì)上植人了周期排列的雙金屬線單元，結(jié)果得出該材料的折射率隨入射光波波長(zhǎng)的變化而變化，在1.5um處得到了負(fù)折射率絕對(duì)值的最大值n=-0.3。Kildishev等對(duì)雙金屬單元進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)一步提高了負(fù)折射率絕對(duì)值，其最大值可以達(dá)到-2。不僅如此，他們還采用一種新的方法得到了光頻段雙負(fù)介質(zhì)：在玻璃基質(zhì)上鍍3層膜，分別為－－，然后用電子束蝕刻技術(shù)在薄膜上形成周期性排列的納米尺寸橢圓空洞，該設(shè)計(jì)能在光頻段產(chǎn)生-0.2的折射率，但卻未實(shí)現(xiàn)損耗的明顯降低。Dolling等分別實(shí)現(xiàn)了1.5um與1.4um的負(fù)折射，并在前不久實(shí)現(xiàn)了可見光780nm的負(fù)折射，其基本薄膜構(gòu)成為－－型，在這里用代替是為了減少損耗，用電子束蝕刻法形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，該材料能夠在可見光頻段780nm處產(chǎn)生-0.6的折射率，但是其虛部系數(shù)大于0.75，有待進(jìn)一步降低損耗。雙負(fù)介質(zhì)由兩個(gè)共振產(chǎn)生負(fù)折射，共振必然產(chǎn)生能量損耗，這是無法避免的，因此不是只要把單元結(jié)構(gòu)做得小就能解決的。直接降低損耗的方法就是不由共振達(dá)到負(fù)折射，手征介質(zhì)負(fù)折射不需要磁共振，光子晶體負(fù)折射兩個(gè)共振都不需要，它們?yōu)樨?fù)折射材料的合成開啟了新的篇章。3.2手征介質(zhì)實(shí)現(xiàn)負(fù)折射物體經(jīng)過平移、旋轉(zhuǎn)等任意空間操作均不能與其鏡像重合稱之具有手征性。手征性在光學(xué)中表現(xiàn)為旋光。在自然界中，葡萄糖、氨基酸、DNA等均有手征性；也可以人工合成，通常是在基質(zhì)中摻人尺寸遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的螺旋狀微結(jié)構(gòu)。Lindma首次研究了隨機(jī)排布銅螺旋對(duì)微波偏振的影響。后來人們對(duì)手征介質(zhì)中的兩個(gè)本征極化波進(jìn)行了深人的研究，Tretyakov等的研究證明其中的一個(gè)本征波確實(shí)具有反常群速度性質(zhì)，2004年P(guān)endry提出了采用手性介質(zhì)與諧振電偶極子組合能實(shí)現(xiàn)負(fù)折射。如果平面簡(jiǎn)諧波在無限均勻手性介質(zhì)中傳播，可由Maxwell方程組得到以下的本構(gòu)關(guān)系：式中：k為介質(zhì)的手征參數(shù)，和分別為手征介質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，和分別為真空介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。當(dāng)真空中的光人射到手征材料時(shí)會(huì)觀察到兩束折射光，通過計(jì)算可得到右旋圓極化波的折射率為：從上式中可以看出，只要使右邊的表達(dá)式為負(fù)值就能實(shí)現(xiàn)負(fù)折射，該表達(dá)式有k、和3個(gè)變量。增大k或者縮小和都能實(shí)現(xiàn)負(fù)折射。實(shí)際上手征參數(shù)k很難增大，要使磁導(dǎo)率變得很小也有一定困難，所以往往采取降低介電常數(shù)的辦法來實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率。該方法最大的好處是不需要激發(fā)磁共振也能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)折射，解決了光頻段很難實(shí)現(xiàn)低損耗磁共振問題。Pendry提出將電偶極子與手征分子共摻能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)折射，并且還設(shè)計(jì)了一種從手征性實(shí)現(xiàn)負(fù)折射的方法：通過把連續(xù)的絕緣金屬帶繞在圓柱上形成一個(gè)重疊的螺旋，然后把它周期性排布能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)折射。這種設(shè)計(jì)極大地簡(jiǎn)化了非常緊湊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在共振頻率處典型的尺寸小于1：100波長(zhǎng)(真空中)。Tretyakov等也提出了兩種在手征材料上實(shí)現(xiàn)負(fù)折射的方法：一種是在基質(zhì)中直接摻人螺旋式手性顆粒，目的在于增加手征參數(shù)k實(shí)現(xiàn)負(fù)折射；另一種是混合電偶極子顆粒與螺旋式手性顆粒，能夠縮小實(shí)現(xiàn)負(fù)折射。Cheng等研究了電磁波從真空到雙軸各向異性手征介質(zhì)中的傳播，該材料是在基體中摻入兩個(gè)不同方向的手性微結(jié)構(gòu)，得出：如果基體是各相同性介質(zhì)，不能形成負(fù)折射；但如果以各相異性介電體或者等離子帶電體作為基體，則能夠產(chǎn)生負(fù)折射。A.Baev等提出用量子化學(xué)方法設(shè)計(jì)手性材料來實(shí)現(xiàn)負(fù)折射，并提出把高分子聚合物與金屬納米顆粒混合能縮小的值形成負(fù)折射。引入金屬納米顆粒能夠產(chǎn)生很強(qiáng)的等離子體振動(dòng)，不僅能夠降低折射率的實(shí)部產(chǎn)生負(fù)折射，而且可以降低折射率的虛部，減少損耗，為實(shí)現(xiàn)低損耗光頻段負(fù)折射提供了一種可行的方法。3.3光子晶體實(shí)現(xiàn)負(fù)折射自1987年由Yablonovitch和John同時(shí)提出光子晶體的概念后，有關(guān)光子晶體的理論研究和實(shí)驗(yàn)制作立刻引起了廣泛的興趣。它是一種介質(zhì)在空間分布上具有周期性結(jié)構(gòu)的人工設(shè)計(jì)的晶體，在介電常數(shù)周期性變化的三維介質(zhì)中，某些頻段的電磁波強(qiáng)度因破壞性干涉呈指數(shù)衰減，無法在介質(zhì)中傳播，形成電磁波能隙。光子晶體實(shí)現(xiàn)負(fù)折射按其原理不同，可以分成兩大類：第一類是通過對(duì)微元結(jié)構(gòu)的周期性設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)介電常數(shù)與磁導(dǎo)率均為負(fù)的“雙負(fù)”結(jié)構(gòu)，其典型的特點(diǎn)是波矢方向K與能流方向S相反；另外一類是通過對(duì)材料結(jié)構(gòu)單元周期性結(jié)構(gòu)及其基體材料的調(diào)制，改變其色散關(guān)系，產(chǎn)生類似于電子在晶體中的能帶結(jié)構(gòu)，由于其Bloch散色產(chǎn)生類似負(fù)折射的效果。光子晶體實(shí)現(xiàn)負(fù)折射最大的優(yōu)點(diǎn)在于它既不需要激發(fā)磁共振也無需要激發(fā)電共振，即可以不依靠金屬的自由電子氣直接實(shí)現(xiàn)負(fù)折射，因此其損耗極低，甚至可以忽略。隨著微加工技術(shù)的發(fā)展，光子晶體的結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)納米級(jí)的尺寸，具有強(qiáng)大的潛力使之過渡到光頻段的負(fù)折射，并且損耗很低，所以光子晶體成為了光頻段低損耗負(fù)折射材料的熱門話題。目前對(duì)該材料的研究熱點(diǎn)主要集中在三個(gè)方面：(1)通過理論設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)證明使之向紅外和光頻段過渡；(2)改進(jìn)材料參數(shù)使之達(dá)到“完美成像”；(3)改善已有的技術(shù)、發(fā)展新科技來制作三維光子晶體；(4)通過控制基體特性調(diào)節(jié)材料折射率的大小。2002年研究者發(fā)現(xiàn)在一些簡(jiǎn)單的二維光子晶體中，雖然介電常數(shù)和折射率都為正值，但由于晶體中存在Bragg散射效應(yīng)，光子晶體對(duì)人射光的集體散射效果也能夠出現(xiàn)類同于負(fù)折射介質(zhì)的負(fù)折射效應(yīng)和超透鏡效應(yīng)，但是無論怎樣改變這種光子晶體平板透鏡的幾何和物理參數(shù)，透鏡對(duì)點(diǎn)光源的成像還是嚴(yán)格地局限于平板的近場(chǎng)表面區(qū)域，如圖4(a)。后來研究者把目光轉(zhuǎn)向其它光子晶體，結(jié)果證明：在三角晶格或者是由金屬圓柱體組成的二維光子晶體和一些三維光子晶體中負(fù)折射成像不再受到近場(chǎng)的局限。并且人們利用半導(dǎo)體微加工技術(shù)，在Si、GaAs等半導(dǎo)體平面波導(dǎo)基片上制作出了在紅外和可見光波段區(qū)具有負(fù)折射效應(yīng)和超透鏡效應(yīng)的光子晶體。圖4各類晶格單元形成的光子晶體及其能帶結(jié)構(gòu)圖Wang等采用圖4(a)的單元結(jié)構(gòu)制備了二維光子晶體，單元結(jié)構(gòu)為正方體，其中周期排列Si的圓柱體，r=0.25a，a是晶格常數(shù)，LC為流體基質(zhì)(Liquidcrystals)；通過平面波展開法得出其能帶等頻線。通過時(shí)域有限差分法模擬發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)LC的方向能夠改變折射率的大小，實(shí)現(xiàn)負(fù)折射。Zhang為了得到更好的遠(yuǎn)場(chǎng)成像，采用了三角形晶格單元的介電體，單元內(nèi)周期排布了兩層的圓柱體，芯層是金屬，包層是介電體，結(jié)果得到了很好的負(fù)折射成像，其不受透鏡厚度和物點(diǎn)距離的影響。A.Martinez等利用正方體晶格光子晶體的負(fù)折射分析了負(fù)折射現(xiàn)象與負(fù)折射率的關(guān)系，得出了負(fù)折射率存在的前提下反而能形成正的相速度，其基本結(jié)構(gòu)單元與圖4(a)相似，只是基質(zhì)不是LC，而是高折射率物質(zhì)。Lu進(jìn)行了非常有意思的工作，把三角形晶格和方形晶格混合起來，做成了混合形三維光子晶體，并且得到了近紅外的“完美成像”。圖4(b)是三角形晶格組分及其能帶圖，依靠該單元能產(chǎn)生較寬的光子帶隙，其晶格常數(shù)a=560nm，空氣洞孔半徑為240nm。圖4(c)為方形晶格組分及其能帶圖，該單元能產(chǎn)生負(fù)折射，其晶格常數(shù)a=420nm，空氣洞孔直徑為0.85a。圖4(d)是它們混合后的晶格排布。Tang等用橢圓形金屬條晶格光子晶體模擬實(shí)現(xiàn)了負(fù)折射，其結(jié)構(gòu)單元如圖4(e)，其晶格常數(shù)為a，橢圓的短軸為0.5a，長(zhǎng)軸為a；以平面波展開法得出其能帶圖。K.Ren改革往常的方法，在具有光電活性的鐵電體基質(zhì)中周期排布空氣洞孔，制備了兩維光子晶體4負(fù)折射率材料的應(yīng)用4.1負(fù)折射率材料在軍用雷達(dá)天線和通信器件中的應(yīng)用隨著負(fù)折射率材料基礎(chǔ)研究的逐漸成熟，人們開始將負(fù)折射率材料的研究提升到應(yīng)用層面。國(guó)外對(duì)負(fù)折射率材料在軍用天線技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了大量研究探索，理論研究和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，負(fù)折射率材料在研制新型軍事雷達(dá)、通信系統(tǒng)天線等方面具有廣泛應(yīng)用前景，對(duì)減小雷達(dá)尺寸、改善天線指向性、提高增益等性能具有重要軍事應(yīng)用價(jià)值。將負(fù)折射率材料應(yīng)用于天線覆層，將能極大地提高天線性能?，F(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)使空間通信與微波武器等領(lǐng)域要求天線不僅要具有高定向性、高增益，還必須重量輕、體積小，普通材料很難兩全，負(fù)折射率材料卻能很好地滿足這些需求。選用負(fù)折射率材料應(yīng)用于天線覆層，負(fù)折射特性將使穿過其中的電磁波受其散射特性的束縛，只能夠在垂直方向附近的小角度內(nèi)傳播，其他方向的傳播將被限制，實(shí)現(xiàn)對(duì)天線輻射電磁波波束的匯聚，減小天線的半波瓣寬度，提高天線的方向性。美國(guó)SensorMetrix公司和雷聲公司分別進(jìn)行的研究也證實(shí)，采用負(fù)折射率材料研制的導(dǎo)彈天線罩，不改變天線罩整體外形，可以有效消除導(dǎo)彈瞄準(zhǔn)誤差，大幅提高導(dǎo)彈命中精度。圖5天線輻射示意圖將負(fù)折射率材料應(yīng)用于微帶天線可有效抑制天線邊沿輻射，減少天線陣元間的干擾。微帶天線作為小型化、集成化天線主角，以其三維結(jié)構(gòu)的靈活性受到了各種不同設(shè)計(jì)目標(biāo)的全方位開發(fā)，并在雷達(dá)、導(dǎo)彈遙感技術(shù)、引信、通信衛(wèi)星等許多領(lǐng)域得到應(yīng)用，但微帶天線介質(zhì)基板中激勵(lì)起的表面波限制了它的性能。圖5為天線輻射示意圖。如圖5(a)所示，微帶天線通過貼片的諧振同時(shí)向空間和介質(zhì)基板輻射電磁波，入射到基板中的電磁波，將被基板底部的金屬地板反射，重新輻射到空氣中，或在介質(zhì)基板與空氣接觸面成Z字形不斷發(fā)生全反射到達(dá)基板邊沿，一部分電磁波被反射，另一部分發(fā)生邊沿散射，這些電磁波的存在將導(dǎo)致天線方向性和工作效率降低，天線增益減小，還會(huì)引起天線陣陣元間的相互干擾，形成寄生輻射。利用負(fù)折射率材料與正常材料復(fù)合作為天線基板，基板中激勵(lì)起的表面波在兩種材料的分界面發(fā)生負(fù)折射，折射波被金屬接地板反射后在分界面處再次發(fā)生負(fù)折射，使表面波在天線基板中的傳播形成閉合路徑，如圖5(b)所示。Burokur等人研究了負(fù)折射率材料對(duì)微帶貼片天線性能的影響，他們?cè)O(shè)計(jì)了一種圓形輻射貼片微帶天線，采用同軸線饋電，選用位于負(fù)折射率特性區(qū)域中的某一頻率作為微帶貼片天線工作的中心頻率，將一定體積的負(fù)折射率材料覆層置于天線前方，發(fā)現(xiàn)負(fù)折射率材料覆層的引入可使天線的聚焦性和方向性更好，增益提高了2.8dB，改善了天線的性能；若選用損耗小的負(fù)折射率材料且保證良好的波阻抗匹配，天線的增益可達(dá)到12dB。另外利用負(fù)折射率材料的相位補(bǔ)償效應(yīng)，可突破傳統(tǒng)微帶天線的半波長(zhǎng)電尺寸的束縛，使得小型化設(shè)計(jì)成為可能。微波段負(fù)折射率材料還可廣泛應(yīng)用于微波器件，例如，利用負(fù)折射率材料中能量與相位傳播方向相反的特性，EnghetaN提出利用負(fù)折射率材料可以實(shí)現(xiàn)對(duì)普通材料進(jìn)行相位補(bǔ)償，從而構(gòu)成一種新型的諧振腔。這種諧振腔的諧振頻率跟其厚度無關(guān)，而只決定于兩種材料厚度的比例。因此這種諧振腔的厚度可以做得非常薄。利用這一原理制造出新型微帶諧振器，其尺寸遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的半波長(zhǎng)微帶諧振器。利用基于左手傳輸線的新型諧振器，可以構(gòu)成具有諧波抑制功能、且結(jié)構(gòu)緊湊的新型濾波器。另外，還可以用于前向波方向耦合器、寬帶相移器、分布式放大器等。利用逆多普勒效應(yīng)則可應(yīng)用于制備體積小、成本低、頻段寬的高頻電磁脈沖發(fā)生裝置等。4.2負(fù)折射率材料在隱身技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，隱身技術(shù)受到世界各國(guó)的高度重視，也是各國(guó)科學(xué)家一直研究的重要方向。隱身技術(shù)是通過控制武器系統(tǒng)或作戰(zhàn)平臺(tái)的信號(hào)特征，使其難以被發(fā)現(xiàn)、識(shí)別和跟蹤打擊的技術(shù)。目前各國(guó)的隱身技術(shù)，主要是利用各種吸波、透波材料實(shí)現(xiàn)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(duì)紅外探測(cè)器的隱身。負(fù)折射率材料在其特性頻帶范圍內(nèi)對(duì)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(tái)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)真正意義上的隱身。圖6所示為美國(guó)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(guó)帝國(guó)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，并將其反射至人眼；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(cè)到的影子。而電磁波或光波對(duì)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。圖6電磁波在負(fù)折射率材料中的傳播路線2006年，Schurig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(huì)看到斗篷中隱藏的物體?！半[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(hào)都可以更為有效地繞開干擾和阻隔，從而保持信號(hào)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、飛機(jī)、艦艇、地面戰(zhàn)車以及重要軍事設(shè)施和人體隱身等領(lǐng)域，導(dǎo)致一場(chǎng)隱身技術(shù)領(lǐng)域的革命，使目前的各種探測(cè)設(shè)備失去作用，在未來戰(zhàn)場(chǎng)上給技術(shù)落后一方帶來災(zāi)難性后果。4.3負(fù)折射率材料在超靈敏探測(cè)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(zhǎng)長(zhǎng)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，它不僅和常規(guī)的介質(zhì)一樣能會(huì)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(huì)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(huì)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(duì)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(huì)重新會(huì)聚到平板介質(zhì)中的某一點(diǎn)，相位不會(huì)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(duì)于消散場(chǎng)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(cè)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(cè)、微量污染探測(cè)、生物安全成像、生物分子指紋識(shí)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導(dǎo)元件，有望制作出分辨率比常規(guī)光學(xué)透鏡高幾百倍的扁平光學(xué)透鏡。負(fù)折射率材料還有望解決高密度近場(chǎng)光存儲(chǔ)遇到的光學(xué)分辨率極限問題，制作出存儲(chǔ)容量比現(xiàn)有DVD高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的新型光學(xué)存儲(chǔ)系統(tǒng)。圖7負(fù)折射率材料透鏡成像4.4負(fù)折射率材料提高空間望遠(yuǎn)鏡分辨率的可行性國(guó)外有人提出用負(fù)折射率材料做一個(gè)補(bǔ)償器，用于空間望遠(yuǎn)鏡，對(duì)反射鏡反射下來的漸失場(chǎng)進(jìn)行增益補(bǔ)償，使其參與成像，從而實(shí)現(xiàn)空間望遠(yuǎn)鏡分辨率的突破。其基本結(jié)構(gòu)形式如圖8所示，在經(jīng)典Cassegrain式望遠(yuǎn)鏡的像平面前是用負(fù)折射率材料制作的補(bǔ)償器，該補(bǔ)償器相當(dāng)于一個(gè)高帶通濾波器，其中A是一個(gè)變折射率的旋轉(zhuǎn)器，用于改變光線的偏折方向使其都匯聚到焦點(diǎn)，B是負(fù)折射率透鏡，用于對(duì)漸失場(chǎng)進(jìn)行增益放大，使其參與成像。漸失場(chǎng)成像的銳度很高，目前電子器件成像陣列不能滿足分辨的要求，所以這個(gè)補(bǔ)償器還要包括一個(gè)用負(fù)折射率材料制作的圓柱透鏡，對(duì)漸失場(chǎng)成的像進(jìn)行放大。這只是個(gè)初步的構(gòu)思，在具體實(shí)現(xiàn)上還存在一些困難。從物體表面發(fā)出的漸失場(chǎng)的確含有物體的精細(xì)結(jié)構(gòu)信息，但漸失場(chǎng)存在于物體表面很近的范圍，望遠(yuǎn)鏡與被觀測(cè)物體距離都很遠(yuǎn)，漸失場(chǎng)在傳播過程中指數(shù)衰減，到達(dá)反射鏡的部分會(huì)近乎沒有。負(fù)折射率材料能對(duì)漸失場(chǎng)進(jìn)行增益放大，但怎樣合理的結(jié)構(gòu)形式的負(fù)折射率材料能把衰減到近乎沒有的漸失場(chǎng)放大到可以參與成像的程度是個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。負(fù)折射率材料對(duì)漸失場(chǎng)的增益放大特性給空間望遠(yuǎn)系統(tǒng)傳統(tǒng)分辨率的突破帶來可行性，并有很大的研究空間。圖8采用負(fù)折射材料的Cassegrain式望遠(yuǎn)鏡5結(jié)語負(fù)折射率材料具有獨(dú)特的電磁特性和潛在的應(yīng)用前景，對(duì)于它的研究開創(chuàng)了一個(gè)全新的領(lǐng)域，隨著負(fù)折射率材料研究的發(fā)展，許多原有的技術(shù)將得到新的發(fā)展和突破。對(duì)負(fù)折射率材料的研究已經(jīng)成為國(guó)際科學(xué)界關(guān)注的熱點(diǎn)，它吸引了許多科學(xué)研究者的興趣，負(fù)折射率材料對(duì)未來武器裝備發(fā)展和軍事作戰(zhàn)同樣是一個(gè)具有重要影響的新興技術(shù)領(lǐng)域，將推動(dòng)武器裝備發(fā)展實(shí)現(xiàn)重大創(chuàng)新，成為世界軍事強(qiáng)國(guó)爭(zhēng)奪軍事優(yōu)勢(shì)地位的一個(gè)制高點(diǎn)。參考文獻(xiàn)[1]VeselagoVG.Theelectrodynamicsofsubstanceswithsimultaneouslynegativevaluesof&epsiv[J].SovietPhysicsUspekhi，1968，10(4)：509-514.[2]PendryJB.Negativerefractionmakesaperfectlens[J].PhysicalReviewLetters，2000，85(18)：3966-3969．[3]SmithDR，PadillaWJ，VierDC，etal.Compo