负折射材料的研究进展和实现方法

ＥＳＥＡＲＣｌＨ＆１）ＥＶ　ｌ　０ｐＡ　负折射材料的研究进展和实现方法　李晓莉　，薛尚芸，张　玮　（河北大学物理科学与技术学院，保定０７１００２）　摘要：负折射是光与物质相互作用表现出来的一种非线性现象，相应的负折射材料已成为物理学、材料　科学、电子科学等交叉学科领域的研究热点。该论文综述了负折射材料的发展现状和一些基本特性，并详细介　绍了实现负折射效应的３种途径——左手介质、手征介质和光子晶体。　关键词：负介电常数；负磁导率；负折射率；光子晶体　中图分类号：０４３１．２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９—５６２４一（２００８）０１—００２４—０４　１　引言　Ｐｅｎｄｒｙ＿２　为首的研究小组在１９９８—１９９９年提出了　种可以同时实现负介电系数和负的磁导率的巧妙　负折射材料是指在一定的频段下同时具有负介　设计结构，才使得Ｖｅｓｅｌａｇｏ提出的设想有可能通过　电常数８和负磁导率　的材料，也称为双负介质。　实验来实现。在２０００年，加州大学圣迭戈分校的　电磁波在这种材料中的传播特性与在一般材料中不　Ｄ．Ｓｍｉｔｈ　等人利用以铜为主的复合材料首次制造　Ｌ，　Ｕ　同，例如波传播方向ｋ与能量传播方向Ｓ相反，折　出了世界上第一块在微波波段等效介电常数和等效　射定律完全相反（入射光线和折射光线在法线同　磁导率同时为负数的介质材料，从而证明了负折射　侧）等等。而且，负折射材料目前为止在自然界中　材料的存在。从此以后，负折射材料的研究成了当　根本找不到，我们所见到的和所研究的都是一些采　今的热门课题，国际上掀起了研究负折射率的热　用人工方法制作出来的。　潮。到了２００３年，《Ｓｃｉｅｎｃｅ｝杂志将“负折射材　负折射材料这一全新概念最早是由俄罗斯理论　料”的研究列为当年的“年度十大突破”之一。　物理学家Ｖ．Ｇ．Ｖｅｓｅｌａｇｏｌ１　提出的，他早在１９６７　而在中国，黄志洵　于２００１年１１月发表了题　年就发表过题为“介电常数和磁导率同时为负时物　为“微波异常传播中的负折射率问题”的文章，　质的电动力学”的文章。但由于当时我们所知道的　最早向国内科学界介绍了这一领域的研究情况。此　自然界中物质的介电常数和磁导率都是正的，没有　后，中国科学家对此展开了研究并取得了一定的进　发现ｓ和　同时为负的介质材料存在，因此他的论　展。　文长期没有受到重视。直到英国伦敦帝国学院以　２负折射材料的基本性质和应用　２．１负折射效应　收稿日期：２００７—１０—１５　基金项目：河北省自然科学基金资助项目（Ａ２００５００００９１）；　根据电磁学理论，对于随时间作正弦变化的电　河北省教育厅自然科学基金资助项目　磁场存在波动方程，即亥姆霍兹方程为：　（２００４１０３）。　×　＋ｋ。　＝０作者简介：李晓莉（１９８２一），女，助教，主要从事光与物质　×台＋ｋ。台＝０．　相互作用方面的研究。　（式中的ｋ。＝（￡）。　＝（￡）。　０　，＝　ｎ。／ｃ。，　维普资讯 http://www.cqvip.com

信怠记最材料　２㈤８年　第９卷　第ｌ辎　硪梵舄赞戡　＝ｓ　ｒ　ｒ，ｃ：√ｌ／８ｏ　ｏ　，　现象。这种材料完全颠倒了物理学中的基本规律，　创造了物质界的又一个奇迹，为人们的生活生产带　来极大的影响和意义。　其中，ｒｔ为介质的折射率，ｃ是真空中的光速。　由于　。和　。均为正值，　，和　的符号将分别与　和　的符号相同，折射率与介电常数和磁导率之间　２．３负折射材料的应用　目前，研究最多的是利用负折射材料消除手机　存在着如下关系式ｎ＝±　。根据负折射材料　的定义，如果　均为负，但二者相乘后仍为正，　辐射。同济大学物理系负折射材料项目负责人李宏　强博士介绍，手机辐射之所以可能对人体产生影　似乎并不能说明负折射率一定存在。　但实验证明，当波从普通介质人射到这种负折　响，是因为目前市场上应用的手机天线，都是全方　射介质中时却出现了奇特的现象，折射波和人射波　竟然出现在法线的同一侧，具体如图１所示。根据　入射波和折射波之间满足Ｓｎｅｌｌ定律：ｓｉｎｌ／ｓｉｎ２＝　ｒｔ２／ｒｔ　，只有当ｎ。＝一　：时，折射角２才取负　值，这就证明了负折射材料具有负折射效应。　反射波　图１负折射示意图　Ｆｉｇ　１　Ｓｋｅｔｃｈ　ｍａｐ　ｏｆ　ｎｅｇａｔｉｖｅ　ｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ　２．２负群速效应　当电磁波在负折射材料中传播时，波矢　、电　场Ｅ和磁场Ｈ之间的关系不再符合我们所熟悉的右　手规则，而是完全相反，因此电磁波在负折射材料　中传播时波传播方向　与能量传播方向Ｓ正好相反。　此结果是从麦克斯韦旋度方程　×Ｅ＝　。　，Ｈ和　×Ｈ＝一　。　Ｅ得出的。由于Ｓ的方向由（Ｅ×　Ｈ）提供，当在导磁率　＞０和介电常数ｓ　＞０时，　Ｅ，Ｈ，　三者满足右手规则，　与Ｓ同向；当　＜　０和　＜０时，波矢　的方向发生反转，与能流Ｓ的　方向相反。　正是由于负折射材料具有负折射效应和负群速　效应，负折射材料中可以出现理想成像、逆　Ｄｏｐｐｌｅｒ频移、反常Ｃｅｒｅｎｋｏｖ辐射等等奇异的物理　向发射信号，向基站发射信号的同时也向人体发射　电磁波，对人的辐射无法避免。该物理实验室近日　制造出新型负折射材料，通过人造结构来控制电磁　波传播方向，并用它制成定向天线，可以智能寻找　附近的电信信号发射基站，专向基站方向发射信　号，并通过相关技术阻止信号向人脑方向的传播，　如此一来，可避免电磁波对手机使用者造成辐射。　“隐身”一直是各国科学家争相开展的重要研　究方向，而负折射材料无疑又为这一研究”可能取　得突破”加上了一个重要的砝码。目前各国的隐身　技术，主要是使用各种吸波、透波材料实现对雷达　的；采用红外遮挡与衰减装置、涂敷材料等以　降低红外辐射强度，实现对红外探测器的隐身；在　可见光上，只是靠涂抹迷彩或歪曲兵器的外形　等初级的方法。而采用负折射材料制造的兵器可以　将光线或雷达波反向散射出去，使得从正面接收不　到反射的光线或微波，从而实现隐身。　负折射材料的实现方法　３．１左手介质　在左手介质中传播的平面波，其电场Ｅ和磁场　Ｕ　Ｕ　Ｈ与波矢量　三者满足左手法则，因此表示电磁波　能流方向的波印亭矢量Ｓ与表示电磁波传播方向的　Ｕ　波矢量　反向平行，电磁波的群速度方向与相速度　方向相反。通过前面的分析，左手介质也指在特定　的频率范围内同时具有负介电常数　和负磁导率　的人工电磁材料，用它可以实现负折射。　左手介质是一种自然界中根本不存在的物质，　最初是由Ｖｅｓｅｌａｇｏ　从理论上提出的。Ｓｍｉｔｈ　等人　最早用细金属导线阵列和开路环谐振器阵列构造出　介电常数和磁导率同时为负的人工左手介质。这一　实验的成功引起了人们的广泛关注，相关的应用性　———圈　维普资讯 http://www.cqvip.com

鲢ＥＳＥＡ靛Ｃｌ｛＆　ＥＶＥｉ　０ｌ　｛　’　研究也越来越多，例如，利用左手介质的独特性质　来，人们发现光子晶体中存在着这样一些反常的折　有望制造出分辨率比常规光学透镜高几百倍的扁平　射现象　：光在晶体的界面发生折射时，折射光的　透镜、存储容量比现有ＤＶＤ高几个数量级的新型　偏折不是偏向于界面的法线方向，而是偏向于界面　存储系统、价格低但性能更好的磁共振成像系统和　方向。也就是说，在这些光的频率范围内，光子晶　８－９］，甚至还有实验表明光子晶　高定向天线，还有望用于防止手机对人体的辐射以　体的折射率小于１［体中的折射光可以与入射光位于界面法线方向的同　及用于制作隐身衣等等。　最近，复旦大学的资剑教授领导的研究小组利　侧，即出现了负折射现象。　光子晶体的“等效负折射率”可以由构成材　用水的表面波散射成功实现了左手介质超平面成像　试验，论文发表于著名的《美国物理评论》杂志　上，并被推荐作为《自然》杂志焦点新闻之一。　同济大学波耳固体物理研究所以陈鸿教授为首的研　究小组在基础理论和材料的制备与表征方面取得了　重大进展，成果在国际物理学著名刊物上发表。　３．２手征介质　所谓手征性，是指如果物体经过平移、旋转等　任意空间操作都不能与其镜像重合，则称这种物质　具有手征性。像化学领域里的具有螺旋结构的高分　子化合物，生物学领域里的葡萄糖、氨基酸等分子　以及ＤＮＡ螺旋结构图案等都具有手征性。在光学　领域里，手征表现为旋光，所以手征介质又被称为　“旋光介质”，偏振平面波通过手征介质后它的偏　振方向要发生一定角度的偏转。　由于手征介质有其独特的性质，最近有人提出　用手征介质获得负折射。理论上只要满足关系式　ｋ＞　／占　。，就可以实现负折射率，其中ｋ为　手征参数，占　和　为手征介质的介电常数和磁导　率，　和　为自由空间的介电常数和磁导率。可　以通过获得很小的介电常数　或很小的磁导率　来得到负折射率，但由于磁介质材料比较难实现，　人们多建议采用第一套方案。相比于左手介质，手　征介质的最大优点是不激发磁共振也可能实现负折　射。由于在光频段很难实现低损耗的磁共振，这使　负折射手征介质具有了广阔的应用前景，有望用于　制作新型的天线罩、飞机隐身材料、手征波导、微　带天线、手征透镜和手征移相器等等。　３．３光子晶体　光子晶体是１９８７年由美国的Ｙａｂｌｏｎｏｖｉｔｃｈ　和　加拿大的Ｊｏｈｎ＿６　在分别研究材料的辐射特性和光子　局域态随折射系数的变化关系时提出的。从结　构上看，光子晶体是一种在光学尺度上介电常数随　空间周期性变化的人工设计和制造的晶体。近几年　团广—一　料的电介质的介电常数和材料周期性来调整，而且　在高频率下有着很低的电磁损耗，三维光子晶体比　较容易制成。目前，光子晶体的波长范围已经发展　到了红外甚至可见光波段，但在此波段范围内制造　完全带隙的三维光子晶体仍存在着一定的困难，主　要是寻找适应的材料和研究结构的加工工艺。为　此，人们发明了激光全息光刻技术和双光子聚合技　术，这两种技术结合了激光光学和高分子化学的全　新手段，是边缘性、交叉性的前沿研究领域。但在　采用先进技术的同时，对材料也提出了更高的要　求。一般来说，有效的光子晶体需要在点阵和介质　之间具有２左右的折射率差，但在高分子材料中很　难找到。为解决这一难题，人们用以上技术制造出　的聚合物微结构作为模板，再用其它高折射率的材　料（Ｓｉ、Ｇｅ、ＴｉＯ　等）进行填充，通过煅烧、化　学腐蚀等方法除去模板，制造出具有更高折射指数　的光子晶体。　４结束语　负折射材料是一门正在蓬勃发展的、很有前途　的新学科，它吸引了包括经典电磁学、固体能带　论、半导体器件物理、光学、量子光学、纳米技术　和材料学科等领域的科学家从事研究。虽然负折射　材料的研究已经取得了很大进展，但多数负折射材　料的设计和应用还处于实验阶段。不过，人们完全　有理由相信，在不久的将来，会有更多的负折射材　料器件进入实用阶段，并由此而产生重要的产业价　值。　参　考　文　献　［１］Ｖｅｓｅｌａｇｏ　Ｖ　Ｇ．Ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｄｙｎａｍｉｅｓ　ｏｆ　ｓｕｂｓｔａｎｃｅｓ　ｗｉｔｈ　ｓｉｍ—　ｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ　ｎｅｇａｔｉｖｅ　ｖａｌｔｌｅｓ　ｏｆ　ａｎｄ肛［Ｊ］．Ｓｏｖｉｅｔ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｕｓｐｅｋｈｉ，１９６８，１０（４）：５０９—５１４．　维普资讯 http://www.cqvip.com

信患记录豺料　２００８筚　第９卷　第ｊ期　研究与开发　［２］Ｐｅｎｄｒｙ　Ｊ　Ｂ．Ｎｅｇａｔｉｖｅ　ｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ　ｍａｋｅｓ　ａ　ｐｅｒｆｅｃｔ　ｌｅｎｓ［Ｊ］．　ｄｉｅｌｅｃｔｉｒｃ　ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｓ［Ｊ］．Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　Ｌｅｔｔｅｓｒ，　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，２０００，８５（１８）：３　９６６—３　９６９．　１９８７，５８（２３）：２　４８６—２　４８９．　［３］Ｓｍｉｔｈ　Ｄ　Ｒ，Ｐａｄｉｌｌａ　Ｗ　Ｊ，Ｖｉｅｒ　Ｄ　Ｃ，ｅｔ　１ａ．Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｍｅ—　［７］　Ｐａｒｉｍｉ　Ｐ　Ｖ，Ｌｕ　Ｗ　Ｔ，Ｖｏｄｏ　Ｐ，ｅｔ　ａ１．Ｐｈｏｔｏｎｉｃ　ｃｒｙｓｔａｌｓ：　ｄｉｕｍ　ｗｉｔｌｌ　ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ　ｎｅｇａｔｉｖｅ　ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｐｅｒｍｉｔ－　ｉｍａｇｉｎｇ　ｂｙ　ｌｆａｔ　ｌｅｎｓ　ｕｓｉｎｇ　ｎｅｇａｔｉｖｅ　ｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｎａｔｕｒｅ，　ｔｉｖｉｔｙ［Ｊ］．Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｒｅｖｉｅｗ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，２０００，８４（１８）：４　２００３．４２６：４０４—４０５．　１８４—４　１８７．　［８］　Ｄｏｗｌｉｎｇ　Ｊ　Ｐ，ａｎｄ　Ｂｏｗｄｅｎ　Ｃ　Ｍ．ＡｎｏｍａｌＯＵＳ　ｉｎｄｅｘ　ｏｆ　ｒｅｆｒａｃ—　［４］黄志洵．微波异常传播中的负折射率问题［Ｊ］．物理，　ｔｉｏｎ　ｉｎ　ｐｈｏｔｏｎｉｃ　ｂａｎｄｇａｐ　ｍａｔｅｒｉｌａｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍｏｄｅｍ　２００１，３０（１１）：６８９—６９２．　Ｏｐｔｉｃｓ，１９９４，４１（２）：３４５—３５１．　『５］Ｙａｂｌｏｎｏｖｉｔｃｈ　Ｅ．Ｉｎｈｉｂｉｔｅｄ　ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｉｎ　ｓｏｌｉｄ　［９］　Ｆｅｌｂａｃｑ　Ｄ，Ｇｕｉｚａｌ　Ｂ，ａｎｄ　ＺｏＨａ　Ｆ．Ｕｌｔｒａ—ｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ　ｐｈｅ—　ｓｔａｔｅ　ｐｈｙｓｉｃｓ　ａｎｄ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ［Ｊ］．Ｐｈｙｓｉｃｌａ　Ｒｅｖｉｅｗ　Ｌｅｔ—　ｎｏｍｅｎａ　ｉｎ　Ｂｒａｇｇ　ｍｉＩＴＯｒｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｏｐｔｉｃｓ　Ａ：Ｐｕｒｅ　ｔｅｒｓ，１９８７，５８（２０）：２　０５９—２　０６２．　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｏｐｔｉｃｓ，２０００，２（５）：３０—３２．　［６］Ｊｏｈｎ　Ｓ．Ｓｔｒｏｎｇ　ｌｏｃｌａｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｈｏｔｏｎｓ　ｉｎ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｄｉｓｏｒｄｅｒｅｄ　Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｎｅｇａｔｉｖｅ　Ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ　Ｍａｔｅｒｉｌａｓ　ＬＩ　Ｘｉａｏ—Ｌｉ，ＸＵＥ　Ｓｈａｎｇ—ｙｕｎ，ＺＨＡＮＧ　Ｗｅｉ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆＰｈｙｓｉｃａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｂｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂａｏｄｉｎｇ　０７１００２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｎｅｇａｔｉｖｅ　ｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ　ｉｓ　ａ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ　ｏｆ　ｌｉｇｈｔ—ａｔｏｍ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｎｅｇａｔｉｖｅ　ｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ　ｍａ—　ｔｅｒｉａｌｓ　ｉｓ　ｏｆ　ｉｎｔｅｒｅｓｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｐｈｙｓｉｃｓ，ｍａｔｅｒｉｌａ　ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｓｃｉｅｎｃｅ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｓ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｓｏｍｅ　ｂａｓｉｃ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｎｅｇａｔｉｖｅ　ｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ａｎｄ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｓｐｅｃｉｆｉｃａｌｌｙ　ｔｈｒｅｅ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｎｅｇａｔｉｖｅ　ｒｅｆｒａｃ—　ｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ　ａｒｅ　ｌｅｆｔ—ｈａｎｄｅｄ　ｍｅｄｉａ，ｃｈｉｒａｌ　ｍｅｄｉａ　ａｎｄ　ｐｈｏｔｏｎｉｃ　ｃｒｙｓｔｌａｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｎｅｇａｔｉｖｅ　ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ；ｎｅｇａｔｉｖｅ　ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ；ｎｅｇａｔｉｖｅ　ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ　ｉｎｄｅｘ；ｐｈｏｔｏｎｉｃ　ｃｒｙｓｔａｌｓ