負(fù)折射率材料的研究概述及其應(yīng)用進(jìn)展

宋佳

摘 要：隨著人們對(duì)負(fù)折射率材料的研究逐步深入，對(duì)其在日常生活中應(yīng)用的探索也逐漸加深，使其物理特性得到了優(yōu)化。文章對(duì)負(fù)折射率材料的發(fā)展歷史和其基本原理進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，同時(shí)介紹了負(fù)折射率材料在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。最后總結(jié)認(rèn)為設(shè)計(jì)并制作出符合應(yīng)用條件的實(shí)際負(fù)折射率材料，從而在可見(jiàn)光波段實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率是未來(lái)手性負(fù)折射率材料的重要發(fā)展方向之一。

關(guān)鍵詞：負(fù)折射率材料；負(fù)折射；左手材料

中圖分類(lèi)號(hào)：O734 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(fù)折射率材料是在某一頻段下折射率為負(fù)的新型超材料，其最早是作為一種理論假設(shè)被人所提出的。1968年，V.G.Veselago第一次提出負(fù)折射率介質(zhì)這一假設(shè)，這種介質(zhì)能夠同時(shí)具有負(fù)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率[1]。遺憾的是Veselago提出的理論始終未得到證。1996-1999年，J.B.Pendry利用金屬線(xiàn)陣列得到負(fù)的介電常數(shù)，同時(shí)利用開(kāi)口環(huán)共振器陣列能夠獲得了負(fù)的磁導(dǎo)率，他由此進(jìn)一步將周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)的金屬線(xiàn)陣列與開(kāi)口環(huán)共振器陣列相結(jié)合最終得到了負(fù)折射率材料[2-4]。至此學(xué)界開(kāi)始認(rèn)識(shí)到負(fù)折射率材料存在的可能性。2000年D.R.Smith等人使用以銅為主的復(fù)合型材料人工合成制作出世界上第一塊在微波階段內(nèi)具有負(fù)的等效介電常數(shù)和負(fù)的磁導(dǎo)率的介質(zhì)[5]。2001年Shelby等人利用已有的負(fù)折射率材料

創(chuàng)造性地制造出一種棱鏡，首次從實(shí)驗(yàn)角度證實(shí)了負(fù)折射現(xiàn)象的真實(shí)存在，并由此實(shí)驗(yàn)證明了當(dāng)光線(xiàn)入射到負(fù)折射率介質(zhì)表面時(shí)，折射光線(xiàn)與入射光線(xiàn)分布在分界面法線(xiàn)同一側(cè)[6]。2003年，愛(ài)德華州立大學(xué)的S.Foteinopoulou也發(fā)布了介質(zhì)為光子晶體的相關(guān)負(fù)折射理論的仿真研究結(jié)果，至此負(fù)折射率的實(shí)驗(yàn)陸續(xù)展開(kāi)，負(fù)折射的概念才被世人廣為接受。盡管人們所假象的“完美透鏡”已經(jīng)被證實(shí)不可能存在，但能夠突破衍射極限成像的“超級(jí)透鏡”是極有可能存在的，同時(shí)這一年在負(fù)折射率材料的設(shè)計(jì)制備上也取得了突破性進(jìn)展，這些成果使負(fù)折射率材料被《Science》雜志評(píng)選為2003年度自然科學(xué)十大創(chuàng)新性研究進(jìn)展之一。此后很長(zhǎng)一段時(shí)間科學(xué)界進(jìn)入了對(duì)負(fù)折射介質(zhì)相關(guān)領(lǐng)域包括其性質(zhì)、制備、應(yīng)用等諸多方面的研究高潮。尤其是在最近幾年來(lái)，左手材料的研究在理論和應(yīng)用上都有著顯著成績(jī)，并且逐漸改變著我們的生活。

2 負(fù)折射率介質(zhì)基本原理

在介質(zhì)中傳輸?shù)碾姶挪ū仨殱M(mǎn)足波動(dòng)方程，該方程與電磁常數(shù)和電磁波參量相關(guān)聯(lián)，Helmholtz方程：

由上式可知，在負(fù)折射率介質(zhì)中電磁波的波矢量K、電場(chǎng)強(qiáng)度E及磁場(chǎng)強(qiáng)度H與常規(guī)介質(zhì)一樣，三者均是互相垂直的，然而不同的是常規(guī)介質(zhì)中的E、H和K三者滿(mǎn)足的是右手螺旋關(guān)系。但是負(fù)折射率介質(zhì)中的E、H和K之間呈左手螺旋關(guān)系。所以人們也常把介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)數(shù)的介質(zhì)稱(chēng)為左手介質(zhì)。

3 負(fù)折射率介質(zhì)的應(yīng)用進(jìn)展

3.1 負(fù)折射率介質(zhì)應(yīng)用于天線(xiàn)

負(fù)折射率介質(zhì)應(yīng)用于天線(xiàn)覆層時(shí)其工作原理與光學(xué)領(lǐng)域的凸透鏡極為相似，電磁波在其中傳輸時(shí)散射特性被束縛，只能在垂直方向附近小范圍內(nèi)傳輸，其他方向傳輸會(huì)被限制。通過(guò)適當(dāng)?shù)剡x擇負(fù)折射率介質(zhì)覆層，將對(duì)完善貼片天線(xiàn)的方向性起到關(guān)鍵作用。

法國(guó)Fresnel Institute的工作人員利用銅片制作了metamaterial介質(zhì)系統(tǒng)，其將發(fā)散的電磁波匯集在一個(gè)狹窄的矩形內(nèi)，很好地改善了天線(xiàn)的定向輻射特性。Burokur等人針對(duì)負(fù)折射率介質(zhì)對(duì)微帶貼片天線(xiàn)性能的影響進(jìn)行了研究分析，發(fā)現(xiàn)利用左手材料覆層可提高天線(xiàn)的聚焦性和方向性，增益明顯提高了2.8dB，改進(jìn)了天線(xiàn)的性能。另一方面天線(xiàn)基板可采用左手材料與右手材料的復(fù)合材料，能夠很好的抑制天線(xiàn)邊沿輻射，將天線(xiàn)陣元之間的干擾降低，從而增強(qiáng)天線(xiàn)方向性。Bacarelli從理論方面推算討論了基板的散射方程，給出了用負(fù)折射率介質(zhì)作為天線(xiàn)基板抑制表面波TE模、TM模的條件。

3.2 負(fù)折射率介質(zhì)用于超薄雷達(dá)吸收

二維的平面負(fù)折射率介質(zhì)在某些頻段內(nèi)會(huì)出現(xiàn)高阻抗表面的特性，Engheta利用此特性設(shè)計(jì)出一種對(duì)電磁波有較強(qiáng)吸收的超薄材料。原理為將電阻載入到高阻抗表面，這樣整個(gè)表面便會(huì)具備純阻性的表面阻抗，若調(diào)整載入的阻值能夠令表面阻抗與空氣中的波阻抗相近。該結(jié)構(gòu)能夠很好的吸收垂直入射的電磁波，對(duì)于其他斜入射電磁波盡管依然存在一定程度反射，但反射波也并非按原路返回，因此這種材料表面對(duì)電磁波的后向散射截面很小，可作為雷達(dá)吸波材料。

4 結(jié)束語(yǔ)

負(fù)折射率介質(zhì)的出現(xiàn)在理論上和應(yīng)用上都開(kāi)辟了一個(gè)嶄新的研究領(lǐng)域，隨著研究日漸深入，負(fù)折射率介質(zhì)在微波、太赫茲波、紅外線(xiàn)及可見(jiàn)光波段已經(jīng)被證實(shí)，并進(jìn)一步展開(kāi)應(yīng)用領(lǐng)域的研究和探索，現(xiàn)在已經(jīng)能夠?qū)⒇?fù)折射率材料運(yùn)用到電磁隱身、信息存儲(chǔ)、移動(dòng)通信等諸多日常領(lǐng)域。

值得注意的是左手材料研究領(lǐng)域里最重要的難點(diǎn)是設(shè)計(jì)并制作達(dá)到理想應(yīng)用條件的實(shí)際材料，現(xiàn)在的研究大多停留在實(shí)驗(yàn)所用的樣品且都離不開(kāi)金屬線(xiàn)和環(huán)，主要在微波階段。隨著人工光子晶體結(jié)構(gòu)研究的迅速發(fā)展，這類(lèi)負(fù)折射率介質(zhì)完全有可能進(jìn)入可見(jiàn)光的范圍?？梢灶A(yù)想到制造出光子晶體結(jié)構(gòu)的負(fù)折射率材料具有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景。如：根據(jù)負(fù)折射率介質(zhì)的反常折射特性制作集成電路里的光引導(dǎo)元件；已制作出雙向光波導(dǎo)耦合器件，有望設(shè)計(jì)出具有更高分辨率的新型光學(xué)元件，使之在光學(xué)密度存儲(chǔ)和加工等方面大規(guī)模運(yùn)用。負(fù)折射率介質(zhì)更深的應(yīng)用前景正在探索之中，相信不久的將來(lái)負(fù)折射率材料的應(yīng)用將會(huì)涉及到我們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷妗?/p>

參考文獻(xiàn)：

[1]Veselago V G. The Electrodynamics of Substances with Simultaneously Negative Values of ？著 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.