負(fù)折射率材料的研究進(jìn)展

負(fù)折射率材料的研究進(jìn)展

負(fù)折射材料在固體物理中的應(yīng)用負(fù)折射材料（nims，nimati）是指以電阻器和磁導(dǎo)率為負(fù)值的材料。它具有負(fù)群速度、負(fù)折射效應(yīng)、反相互作用效應(yīng)、反射效應(yīng)、反演率序列、理想圖像等異常的物理性質(zhì)。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(lái)愈廣泛的青睞,世界各國(guó)對(duì)其的研究正呈現(xiàn)迅速發(fā)展之勢(shì)。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(jiàn)光波段被證實(shí),并已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行應(yīng)用領(lǐng)域的研究與探索。1負(fù)折射材料的發(fā)展1.1微波負(fù)折射材料研究歷程在經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)理論中,介電常數(shù)和磁導(dǎo)率是描述均勻介質(zhì)中械绱懦性質(zhì)的最基本的兩個(gè)物理量。在自然界中,對(duì)于電介質(zhì)而言,介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都為正值,電矢量E、磁矢量S和波矢量K三者構(gòu)成右手螺旋關(guān)系,這樣的物質(zhì)被稱為右手材料(RHMs,Right-handedmaterials)。這種右手規(guī)則一直被認(rèn)為是物質(zhì)世界的常規(guī),但這一常規(guī)在20世紀(jì)60年代卻遭遇顛覆性挑戰(zhàn),1968年,前蘇聯(lián)物理學(xué)家Veselago發(fā)表了他在理論研究中對(duì)物質(zhì)電磁學(xué)性質(zhì)的新發(fā)現(xiàn),即當(dāng)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都為負(fù)值時(shí),電場(chǎng)矢量、磁場(chǎng)矢量和波矢量之間構(gòu)成左手關(guān)系,并稱這種假想的物質(zhì)為左手材料(LHMs,Left-handedmaterials)。但由于一直未被證實(shí),其后30多年,負(fù)折射率材料的研究基本處于停滯狀態(tài)。直到1996年~1999年,英國(guó)帝國(guó)學(xué)院的Pendry等人相繼提出用周期性排列的金屬條和開(kāi)口金屬諧振環(huán)(SRR,Split-ringresonator)可以在微波波段產(chǎn)生負(fù)等效介電常數(shù)和負(fù)等效磁導(dǎo)率。2001年,美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校的DavidSmith等物理學(xué)家根據(jù)Pendry等人的建議,利用以銅為主的復(fù)合材料首次在微波段制造出一維的負(fù)折射率材料,如圖1所示。并采用一束微波射入這種人工介質(zhì),微波發(fā)生負(fù)角度偏轉(zhuǎn),證明了負(fù)折射率材料的存在。美國(guó)Shelby等人制備出了二維負(fù)折射率材料,并進(jìn)行了折射實(shí)驗(yàn)和表面等離子極化波實(shí)驗(yàn),證實(shí)了當(dāng)電磁波斜入射到負(fù)折射率材料與普通材料的分界面時(shí),折射波的方向與入射波的方向在分界面法線的同側(cè)。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。2003年是負(fù)折射率材料研究獲得多項(xiàng)突破的一年,美國(guó)西雅圖BoeingPhantomWorks的C.Parazzoli與加拿大多倫多大學(xué)電機(jī)系的G.Eleoheriades領(lǐng)導(dǎo)的兩組研究人員在實(shí)驗(yàn)中直接觀測(cè)到了負(fù)折射現(xiàn)象;愛(ài)荷華州大學(xué)的S.Foteinopoulou發(fā)表了利用光子晶體作為介質(zhì)的負(fù)折射率材料理論仿真結(jié)果;美國(guó)馬薩諸塞州理工學(xué)院的E.Cubukcu和K.Aydin在《自然》雜志發(fā)表文章,描述了電磁波在兩維光子晶體中的負(fù)折射現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)結(jié)果;Parazzoli等人則在實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬上進(jìn)一步驗(yàn)證了負(fù)折射現(xiàn)象。基于科學(xué)家們的多項(xiàng)發(fā)現(xiàn),負(fù)折射率材料的研制進(jìn)入了美國(guó)《科學(xué)》雜志評(píng)出的2003年度全球“十大科學(xué)進(jìn)展”,引起全球矚目。2004年,Pendry等人在《科學(xué)》雜志上公布了關(guān)于諧振環(huán)磁響應(yīng)在THz頻率范圍的相關(guān)研究工作,使負(fù)磁導(dǎo)率首次在紅外波段實(shí)現(xiàn)。最近幾年,對(duì)負(fù)折射率材料的研究主要集中在可見(jiàn)光波段,Pafimi等利用光子晶體等研究了金屬結(jié)構(gòu)在光學(xué)波段實(shí)現(xiàn)負(fù)折射的可能性。2007年,美國(guó)加州技術(shù)研究所的HenriJkezec設(shè)計(jì)完成了一種金屬-絕緣體-金屬(Au-Si3N4-Ag、Ag-Si3N4-Ag)的特別波導(dǎo)結(jié)構(gòu),驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方式在二維空間中的各向同性材料中會(huì)得到負(fù)折射現(xiàn)象,實(shí)現(xiàn)光譜為藍(lán)綠(514nm)光譜區(qū)域,突破了負(fù)折射率材料在可見(jiàn)光波段的實(shí)現(xiàn)。DollingG等采用基本薄膜構(gòu)成為Ag-MgF2-Ag型,用電子束蝕刻法形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了可見(jiàn)光780nm的負(fù)折射。1.2負(fù)折射材料在正行膜加工中的應(yīng)用研究負(fù)折射率材料的異常特性同樣引起了我國(guó)科學(xué)界的關(guān)注,同濟(jì)大學(xué)波耳固體物理研究所陳鴻教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組從2001年開(kāi)始對(duì)負(fù)折射率材料展開(kāi)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。2002年,中科院電子所的李芳等人進(jìn)行了微波段等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率的實(shí)驗(yàn),用周期性排列的金屬絲和金屬裂環(huán)諧振器模型設(shè)計(jì)制作出一維人造介質(zhì),并進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。復(fù)旦大學(xué)的資劍教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組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《美國(guó)物理評(píng)論》雜志上,引起了學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注,被推薦為2004年《自然》雜志焦點(diǎn)新聞之一。南京大學(xué)的盧明輝等在利用電磁復(fù)合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率介質(zhì)以及二維聲子晶體的負(fù)折射研究領(lǐng)域取得重要研究成果。浙江大學(xué)的何賽靈等在光子晶體和手性介質(zhì)實(shí)現(xiàn)負(fù)折射及平板成像方面開(kāi)展了研究工作。北京師范大學(xué)張向東課題組和中科院物理所張道中課題組進(jìn)行了光子晶體的負(fù)折射和亞波長(zhǎng)成像方面的研究,2005年發(fā)現(xiàn)十二重對(duì)稱的電介質(zhì)準(zhǔn)晶光子結(jié)構(gòu)也會(huì)出現(xiàn)負(fù)折射效應(yīng),而且在某些性能上優(yōu)越于光子晶體負(fù)折射介質(zhì)。2006年,東南大學(xué)毫米波實(shí)驗(yàn)室的崔鐵軍教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組提出一種能使磁導(dǎo)率為負(fù)的雙螺旋共振結(jié)構(gòu),并指出通過(guò)將開(kāi)口諧振器和螺旋結(jié)合在一起可以降低共振頻率。西北工業(yè)大學(xué)的趙曉鵬等制備了六邊形的導(dǎo)電開(kāi)口諧振環(huán),并研究了負(fù)折射率材料的缺陷效應(yīng),發(fā)現(xiàn)了負(fù)折射率材料中的禁帶現(xiàn)象,采用雙模板輔助化學(xué)電沉積法制備金屬銀樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)陣列,成功制備出大面積(m2級(jí))的紅外波段負(fù)折射率材料,并開(kāi)展了負(fù)折射率材料的應(yīng)用研究工作,特別是天線的應(yīng)用研究,取得了很大進(jìn)展。西安交通大學(xué)的屈紹波等采用一種“巨”字形結(jié)構(gòu),利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)在氧化鋁基板上進(jìn)行加工制作,在同一結(jié)構(gòu)中同時(shí)實(shí)現(xiàn)負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率,并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試證實(shí)了這種結(jié)構(gòu)的“雙負(fù)”特性。2負(fù)折射材料的異常物理特性2.1右手定則的構(gòu)成在普通介質(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入射光線0時(shí)負(fù)折射是負(fù)折射率材料表現(xiàn)出來(lái)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。自然界中,當(dāng)入射光線穿過(guò)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2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。2.3頻移情況呈逆多普勒傳播方向在負(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3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ω0的電磁波),探測(cè)到的頻率會(huì)高于ω0,反之將低于ω0,而在負(fù)折射率介質(zhì)中情況正好相反。2.4路徑上形成多次波在真空中勻速運(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(guò)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4所示。3負(fù)折射材料的軍事應(yīng)用3.1負(fù)治療微帶天線的應(yīng)用研究隨著負(fù)折射率材料基礎(chǔ)研究的逐漸成熟,人們開(kāi)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(guò)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。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軍事設(shè)計(jì)目標(biāo)的全方位開(kāi)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(guò)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(wú)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。3.2負(fù)折射特性的“隱私”傳播隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展,未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)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(guó)的高度重視,一直是各國(guó)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(guò)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)對(duì)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(duì)紅外探測(cè)器的隱身;在可見(jiàn)光隱形上,只是靠涂抹迷彩或歪曲兵器的外形等初級(jí)的方法。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(lái)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)武器系統(tǒng)或作戰(zhàn)平臺(tái)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(méi)有波傳播的“空洞”。人之所以能看見(jiàn)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(lái),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(méi)有波的折射,也沒(méi)有散射,而是繞過(guò)“空洞”傳播,如果將物體放在洞中,因?yàn)闆](méi)有波觸及物體,也就沒(méi)有攜帶關(guān)于物體信息的波被反射回來(lái),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(jué)隱身。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(guò)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(guò)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(kāi)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(kāi)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(lái)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(lái)負(fù)折射率材料在電磁隱身、可見(jiàn)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(chǎng)軍事隱身技術(shù)領(lǐng)域的革命,使目前的各種軍用探測(cè)設(shè)備失去作用,在未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上給技術(shù)落后一方帶來(lái)災(zāi)難性后果。3.3像重新會(huì)聚于透鏡的結(jié)構(gòu)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(wú)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(wú)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(wèn)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(guò)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