近五年内梯度折射率光学材料及器件的应用的主要进展
水悦
(安徽大学物理与材料科学学院，安徽合肥 230039)
摘要：介绍几种主要的梯度折射率光学材料和常见的光学器件，论述了梯度折射率器件的应用现状和发展前景。
关键词：梯度折射率材料；梯度折射率器件；应用
前言
梯度折射率介质又称为非均匀介质、变折射率介质或者渐变折射率介质, 指一种折射率不是常数, 而是按一定规律变化的介质, 因此, 英文称作Gradient Index(Grin) 。梯度折射率光学是近40年才发展起来的一门新兴学科。但在自然界中, 早在公元100 年, 人们就己观察到“海市蜃楼”奇景, 它就是由于大气层折射率的局部变化对地面景色产生折射而出现的一种奇观。事实上,不仅大气层,海水、生物眼(较低级的不包括)的折射率也是非均匀的, 人类眼睛晶状体就是梯度折射率变化的,折射率差约为0.015- 0.049,这种梯度变化的材料和晶状体表面的非球面都极有利于像差的校正。通过对这些自然现象的观察、研究,人们逐渐领悟到材料折射率的非均匀性可以导致一些均匀介质所不具有的光学性能。
本文介绍了梯度折射率材料的形成原理，综述了梯度折射率材料的研究进展，梯度折射率材料的发展前景。
1 梯度折射率材料简介及梯度形成原因
梯度折射率光学材料的出现，至今大约有100多年了。早在1854年，J.C.Maxwell就描述了光在梯度折射率介质中传播的表征方程，并提出了现在人们所知道的Maxwell鱼眼透镜；到1899年，R.W.Wood做了光以正弦轨迹在梯度折射率材料中传播的演示；1905年Wood的教科书“物理光学”上就有光通过一梯度折射率槽，显示正弦传播的照片底板。但是只是在近20年来，由于梯度折射率光学材料在复印机和传真机成像阵列以及光纤耦合器等方面的大量应用，才大大地驱动了他从材料制造、相差理论、光学设计应用开发等方面的快速发展。首先是美国罗切斯特大学D.T.Moore教授在设计方法和理论研究方面做了大量工作。在梯度折射率材料和透镜制造方面主要是日本板玻璃公司（Nippon sheet Glass,NSG），在1992年由该公司J.Kitano等人采用离子交换法制成径向梯度折射率材料，后来又研制了齐明透镜，正如人们普遍了解的自聚焦透镜（Selfoc rod lenses）。中科院西安光机所于1975年率先在国内研制成功了梯度折射率材料，相继20多年来得到了很大的发展。其中，安徽大学物理系在1988年至1996年对于球对称折射率光学器件的研究纠正了国际学术界长期认为麦克斯韦“鱼眼”球透镜不能用于成像和耦合的误解。所提出的改进模型及其复合结构不仅焦距短、像差小、耦合效率高、性能优良，且N低，易于制作，对于微小光学器件具有重要应用价值。该研究在国际上率先提出使用不同浓度混合融盐进行多阶段离子交换的方法，解决了制作高质量球对称梯度折射率球形透镜、精确控制GRIN
剖面形成的技术难题[1]。
一般来说，光学玻璃是光学均匀性较好的一种光学材料，但其内部仍然存在
着不同程度的折射率不均匀分布。用来表示折射率的变化，则任意两点间的折射率差可表示为：
（1）
式中和分别为积分方向和梯度方向的单位矢量[2]。通过逐点积分，求出整个样品内部的最大折射率差值△，即可获得玻璃均匀性优劣的评价
目前, 梯度折射率光学元件的梯度有三种形式。第一种是轴向折射率梯度(AGRIN), 它的折射率沿光轴连续变化, 具有相同折射率的表面是垂直于光轴的平面。第二种是径向或圆柱形折射率梯度(RGRIN), 折射率从光轴开始由里向外连续变化。具有相同折射率的表面呈圆柱形, 其轴线与透撬系统光轴重合。第三种是球面形折射率梯度(SGRIN), 共折射率分布对称于某一点, 具有相同折射率的面是球面。AGRIN透镜通常用于调整球面像差和简化光学系统，RGRIN透镜具有比轴向梯度折射率透镜更多的优点，所以RGRIN透镜应用最为广泛，它是将折射率从中心光轴沿半径方向连续递减变化的玻璃棒按具体应用长度截取，再将两端面研磨抛光成平行平面。由于其径向折射率梯度分布而有端平面透镜的光焦度，有时形象地称为“自聚焦透镜”。
一般取光轴中心折射率为，距中心的径向距离为r，则其折射率分布为：
(2)
略去高次项，则：(3)
式中为折射率分布常数；为轴上折射率；r为透镜径向半径上某点至光轴距离[3][4]。
2 梯度折射率材料的种类和制法
2.1 梯度折射率材料的种类
梯度折射率材料的制作和元件的制作是同步进行的。由于这一特点，其种类除按化学成分分类外，还经常按其元件的构造来分类。
按化学成分分，可分为无机材料和高分子材料两大类。无机材料特别是无机玻璃是最早研究的梯度折射率材料。早在1854年就提出了Maxwell鱼眼透镜的理论模型。I900年柯达公司的Wood提出了属于径向梯度折射率型的Wood透镜。1944年Lunberg提出一种能使无穷远物点完善成像的球透镜模型。1951年Mikaeligan提出了能理想成像的径向梯度折射率分布模型。但是由于制备工艺不能解决，这些模型都没有实用。其后，虽有许多学者作了不少理论研究和设计，
但直到1969年日本板玻璃公司的北野等人用离子交换工艺制作了玻璃梯度折射率棒和光纤，并在日本、美国、前西德、比利时等国申请了专利才引起了普遍的重视。从此，利用无机材料制作梯度折射率材料的研究发展很快。采用的无机材料种类也较多，主要有玻璃、锗砷、硫和硒的化合物，氯化钠，氯化银和氮化硅等。其中用离子交换法制成的玻璃梯度折射率棒已经达到实用化。玻璃梯折材料的优点是透过率高，折射率差大，像差和色差小，分辨率高。缺点是比重大，尺寸小，冲击强度差，制作过程较复杂。高分子梯折材料的研究始于20世纪70年代。1972年日本的人江正教首次报导用高分子盐离子交换法研制成高分子径向梯折材料，开辟了该类材料的新领域，立即受到了人们的广泛重视。日本在20世纪70—80年代对高分子梯折材料的制备方法、机理、光学性能和测试方法作了大量研究，其中以大蒙保治为首的研究小组的工作最为突出。他们研究了许多新的制备方法，发表了几十篇论文和专利。他们于1973年报导了高分子径向梯折材料，于1985年报导研制成高分子轴向梯折材料，于1986年报导研制成高分子球向梯折材料，于1988年报导研制成高分子立体梯折光波元件和单片二维梯折透镜阵列等。美国的Hamb1em和Moore等人以及前苏联科学院高分子所等也相继开展了研究，都巳研制出多种高分子梯折材料，特别是含氟的高分子梯折材料。高分子梯折材料目前主要有甲基丙烯酸甲酯、间(或邻)苯二甲酸二烯丙酯、二缩乙二醇二碳酸二烯丙酯((CR—39)、甲基丙烯酸三氟乙酯、甲基丙烯酸四氟丙酯、苯乙烯和苯甲酸乙烯酯的二元和三元共聚物。高分子梯折材料的优点是比重小，价格低，易加工，抗冲强度大，可制成大尺寸产品和三维光波导元件。缺点是透过率和分辨率较低，折射率可调范围小，色差大和热性能差等，这些都影响它的实用性。到日前为止，高分子梯折材料仍处于实验室研究阶段，离实用化仍有相当的距离。
按元件的构造分，可分为径向梯度折射率棒透镜、轴向梯度折射率棒透镜、球向梯度折射率球透镜、平板透镜(见图16—4)、平板微透镜阵列(见图16—5)、梯度折射率光波导元件(见闻16—6)等。
2.2 梯度折射率光学材料的制备原理
普通均匀玻璃的折射率是单一的，而梯度折射率玻璃的折射率是变化的。渐变的折射率可以通过多条途径来获得。研究表明，玻璃的折射率取决于其成分、结构、热历史等因素，且主要受成分和结构的影响[5]。当光通过透明材料时，使材料中的带电粒子极化，在极化过程损耗光自身的能量，导致光速减小；通过前后光速值之比即材料的折射率表征光在该物质中的偏转程度，所以，折射率受材料中带电粒子极化能力和浓度的影响。不同种类的阳离子具有不同的极化能力，改变玻璃的组成就能改变折射率。图1示出了不同种类金属阳离子与玻璃折射率的关系。由图l可以看出，处于“马鞍”两头的离子如Pb2+、Cs+等具有较高的折射率，处于“马鞍”底部的离子如K+、Na等的折射率较低。如果在玻璃组成中形成两种或多种阳离子的浓度梯度，势必会引起折射率的梯度变化，这就成为制备梯度折射率玻璃的基本思路。梯度折射率玻璃最早的工艺可以追溯到19世纪的中期。当时Otto schott将玻璃快速冷却使其产生应力，制得了外部区域折射率较高的玻璃。一个半世纪后，梯度折射率玻璃的应用日趋广泛，制备工艺也在不断推陈出新。这些工艺主要包括离子交换法、溶胶一凝胶法、化学气相沉积法等。
2.3 梯度折射率光学材料的制法
我国对梯度折射率材料的研究起步较晚。中科院西安光机所和北京理工大学在玻璃梯折材料方面作了许多研究，在玻璃径向梯度棒和球向梯度球方面取得了不少进展，发表了不少论文。在高分子梯折材料方面的报导则较少，1981年西安光机所注景昌曾报导研制成一种DAP—MMA自聚焦光学塑料捧；浙江大学胡庆美等曾在1981年和1983分别报导研制成用光聚合法制成的梯折光学塑料棒；但以后未见连续报导。北京理工大学葛炳恒和周馨我从1985年起研究高分子梯折材料，1987年研制成直径5—10 mm，△n=0.030—0.037，透过率>80%，分辨率>90线对/mm的径向梯度捧，1988年研制成高分子轴向梯度折射率材料，梯度深度>10mm，△n>0.04，1989年研制成球向梯折材料，并对有关的制备方法和机理也作了较详细的研究。
梯度折射率材料的制备方法的研究可以追溯到1900年，当时柯达公司的Wood用明胶做成了折射率沿径向变化的圆柱棒，沿垂直于棒轴方向的切片具有聚光和散光作用，这就是现在的径向梯度捧的雏形。此后，对梯折材料制法的研究经过近70年，发展缓慢。到1969年，离子交换法的发明，才有所突破。此后，
研究了许多制备方法，共有20多种如表16—1所示。表16—1所列的方法中，只有制备玻璃梯度棒的离子交换法达到了实用水平，其余方法均处于实验室阶段，其中化学气相沉积法、分子填充法、晶体增长法、溶胶—凝胶法、光刻—离子交换法、扩散法、扩散共聚法、光共聚法、悬浮共聚法、沉淀共聚法、蒸气转移—扩散共聚法和界面凝胶共聚法报导较多，且各具特色，下由简单介绍。
3 梯度折射器件的主要应用及发展
3.1 梯度折射率器件的应用和发展状况
对于梯度折射材料的三种形式: 球对称分布、径向分布和轴向分布三大类型, 它们的折射率分别是到空间某定点、定直线( 轴) 和定平面的距离的函数, 等折射率面分别为球面、圆柱面和平面。其中第一类轴向折射率分布介质主要用作成像透镜消像差；第二类按径向折射率分布的细而长的变折射率光纤主要用作光波载体, 是光通信的理想传输介质。按径向折射率分布的粗而短的自聚焦透镜有导光、准直和成像的作用, 是重要的微小光学器件，在内窥镜系统、光信息处理、传感系统、光学透镜以及光通信器件等方面有广阔的应用前景。径向梯度折射率透镜作为复印机、传真机的输入扫描成像列阵已经得到广泛的商业应用，目前日本板玻璃公司可以说占有100％的市场。径向梯度折射率透镜的另一个主要应用，即光通信中的光学耦合器、准直器和隔离器等。第三个方面是医用超细梯度折射率内窥镜和工业缺陷光学探测器等。在此方面，我们已经研制成功了几种不同直径和不同长度的医用内窥镜。第三类球向变折射率透镜具有几何形状高度对称，外形易加工，使用时调整容易,，不用特别取向、不存在斜光线、成像像差小、耦合率高、焦距短、成本低等优点, 是最简单、最经济的微小光学器件, 在微型光学系统和集成光学中具有广阔的应用前景。
3.1.1 梯度折射率器件的应用优势
梯度折射率玻璃不同于普通光学玻璃在于其折射率的梯度变化导致光在其中以曲线的形式传播。由于这一特性，它被广泛用于光传播、通讯系统，主要产
品为光学透镜和光波导纤维。梯度折射率透镜中，径向梯度折射率透镜(GRIN)的折射率从透镜中心到边缘呈径向变化，具有聚焦的能力；轴向折射率透镜(AGRIN)的折射率沿光轴方向变化，以变化的折射率校正球像差，这类透镜特别适用于激光系统，可获得更好的近衍射极限的聚焦性能，耐受更高的光功率，并且不需要其他校正像差的光学元件。GRIN和AGRIN都可用来简化复杂的光学系统。现在正广泛应用于成像、显示、光通信等光学领域。可以说，在新型的光通信领域，无处没有梯度折射率材料的身影，例如光纤之间的连接、隔离、定向耦合，波分复用／解复等，都可采用自聚焦透镜来完成。同时，光波导本身也是变折射率实体，如图2所示。其中的梯度折射率多模光纤正是梯度折射率材料的典型应用，这种结构设计可以减小因模间色散引起的延迟，同时，它因为比阶跃型光纤的光损耗小，而具有脉冲畸变小、频带宽、信息容量大等优点[6]。
3.1.2梯度折射率器件的发展状况
梯度折射率光学材料的应用研究是目前国际上相当热门的研究课题，有极其广泛的用途，被认为的确是世界性的商业需求。我们研制的各种径向梯度折射率材料工艺已经趋于成熟，在医用内窥镜方面得到应用。数值孔径NA＝0.46的透镜在光通信方面有惊人的市场销量。
西安光机所早在上世纪70年代初就开始对梯度折射率材料进行了系统、深入的研究和开发，经过几十年的努力，该项目的研究取得重大进展，先后研制出5种梯度折射率光学玻璃材料配方及其微透镜系列。本世纪初，又成功地完成了径向梯度折射率透镜（又称自聚焦透镜）系列化产品的中试研发工作，为了加快推进项目的产业化进程，2001年，西安光机所投资组建了国内最大的自聚焦透镜生产企业——“飞秒光电科技(西安)有限公司”，现该公司已成为自聚焦透镜系列产品国内最大的生产供应商。
梯度折射率透镜
在对梯度折射率玻璃材料进行研究的同时，西安光机所还率先在国内开展了光聚合物微透镜及其阵列的研发，由于聚合物光学材料具有固有的高负热光系数，塑性强、重量轻、易于制造、价格低廉、数值孔径大、易于耦合等特点，对波导器件、集成光学和光生物传感器件有很大的吸引力，因此，是一个具有广泛应用前景的开发研究领域。目前，西安光机所已成功研制出一套聚合物微透镜微喷打印装置。
聚合物微透镜阵列
在“梯度折射率光学材料及微透镜系列”项目的研究工作中，西安光机所先后取得5项发明专利及4项实用新型专利，具有完全自主的知识产权。项目总体技术水平达到国际先进，同时在推进项目产业化的发展工作中还取得了显著的经
济效益和社会效益。
以消除像差为例，在传统的光学工程中，人们使用的都是均匀的光学材料,在进行光学系统设计时往往要依靠改变界面曲率、间隔、玻璃品种等结构参数来校正像差。随着对光学仪器的要求越来越高,不得不开发新的玻璃品种，增加光学系统的透镜片数等等，同时也引起光学仪器体积、重量、成本和光能损失也大大增加。为此光学工程师绞尽脑汁来寻找一种既能简化光学系统,又能优化像质的新途径。较常用的方法是使用面形的复杂化来增加校正像差的自由度,但这种方法不仅加工工艺和检测方法复杂，而且不是对校正各种像差都有效。梯度折射率材料(光学玻璃、塑料、锌硒化物等等)的出现,为光学工程设计师们提供了一条新的思路,即利用折射率的变化来校正像差。近年来梯度折射率光学得到的发展充分表明：一块轴向梯度折射率平板可等效于一堆不同折射率均匀介质板, 没有光焦度;一块弱径向梯度折射率平板可等效于一个难以加工、难以测试的非球面斯密特校正板；一个径向梯度折射率棒可等效于一串中继透镜,，这在内窥、潜望等光学系统中尤显其长；一个轴向梯度折射率球面在校正像差方面可等效于普通透镜的非球面作用[7]。
3.2梯度折射率材料应用的发展方向
利用梯度折射率光学可减少光学系统组件，简化加工工艺，为科技工程设计师们提供了一条使光学系统向微型化、轻型化、优质化、易装配等方向发展的新途径。今天, 变折射率光学在光线追迹、制作方法、像差理论和透镜设计方面已趋成熟, 变折射率光学己成为一门新的学科, 变折射率透镜已成为一种极其重要的微小光学元件。利用变折射率光学元件, 可以减少光学系统组件, 简化加工工艺, 使光学系统向微型化、集成化、轻型化、易装配化等方向发展。在光纤通信器件、望远镜、小型照相机、显微物镜、内窥镜等成像光学系统, 光纤传感器、成像传感器、机器人等传感技术以及光盘读头、复印机、传真机、光计算等领域中得到广泛的应用。国际学术界也给予梯度折射率光学高度重视, 美国《Applied Optics》杂志已将其列为一个栏目, 定期发表有关论文、交流信息, 有力地推动了它的发展。可以预见,随着科学的发展,梯度折射率光学必将扮演越来越重要的角色。
3.3梯度折射率光学材料的应用实例
3.3.1口腔内窥镜
作为微型成像系统, 在设计上需要考虑尽可能地减小光学成像系统的体积, 以便适应口腔内部结构, 而如果上述光学系统光学透镜的片数太少, 则无法清晰成像; 反之, 如果片数太多, 则会明显增大微型成像系统的外形尺寸, 与实
际使用场合要求相违背。梯度折射率透镜应用于此微型成像系统解决了均匀折射率透镜成像系统的一些不足, 提高了总体技术要求, 改善了同类产品的性能。
口腔内窥镜是近年来国际上最新开发的口腔诊疗设备，它是集光学、光学材料与加工、微电子、数字成像系统等技术为一体的新型医疗设备。系统由梯度折射率透镜（gradient refractive index lens)、CCD光电转换装置、图像控制单元、电子病历等模块组成。
它由高解析度的微型摄像头对患处进行摄像，经光电转换、数字电路处理后，清晰地将患处图像显示在屏幕上。病人可以通过屏幕了解自己患病部位的情况、对自己的口腔疾病在治疗前、治疗中、治疗后的全过程进行了解，密切了医患关系。同时，该机还可以通过多媒体作网上远程会诊，图像资料存贮，在处理医患关系、医疗纠纷、教学科研等方面都具有较广阔的应用前景。口腔内窥镜（intraoral camera system)前端安装有LED照明光源,医生可以将摄像头放入患者口腔内，取患者的口腔情况,将组织显示在显示器上。由于需要观察口腔内部的情况,要求景深大，在30mm内都能清楚地成像,而单片球面透镜和非球面透镜都不能实现这种功能。采用新型二次无源离子交换单片梯度折射率成像透镜，既满足了景深的要求,同时又减小了渐晕，改善了畸变。
3.3.2 管道内窥镜
管道内窥镜凭借其体积小、结构灵活的特点, 已经广泛应用于各种管道设备的生产、检测及日常检测和维护中。它作为一种无损检测设备, 有效延长了人眼的视距, 突破了人眼观察的死角, 可以准确、清晰地观察管道设备内部或零件内表面的情况, 如磨破损、表面裂纹等, 避免了不必要的设备拆卸以及零部件损伤, 具有操作方便, 检查效率高, 结果客观准确的优势, 是管道设备检测的一个有力工具。
高质量的管道内窥镜既需要大的放大倍率, 又需要大的景深。因此, 放大倍率与景深的矛盾成为制约管道内窥镜性能的瓶颈。利用梯度折射率透镜介质折射率渐变的特点, 将其与显微物镜相结合,设计了其像面弯曲近似球面、大景深的管道内窥镜。
管道内窥镜如图2，检测被测管道时, 被照明的检测表面先经径向梯度折射率透镜成像, 经反射镜转向后, 再用显微物镜将其放大, 最后通过场镜和转像透镜成像并由CCD 接收, 最终通过监视器观察检测结果。
3.3.3 自聚焦透镜的光纤数据传输系统
自聚焦透镜的折射率沿径向呈梯度变化, 因而与传统的具有均匀折射率分布的普通透镜不同, 光线在自聚焦透镜内的传播轨迹为曲线, 且呈周期变化。在光纤数字全息光路中引入自聚焦透镜, 利用其特有的成像特性, 作为物光波的中继传输器件, 构成一套紧凑型光纤数字无透镜傅里叶变换全息记录系统, 以实现对微小物体的全息记录与数值再现。研究结果表明, 结合自聚焦透镜和光纤数字全息术的特点, 不仅可使光学测试系统紧凑、微型化, 而且还可以对一些特殊环境、光线难以直接到达的隐藏区域或封闭系统内部进行测量。
自聚焦透镜与传统的球面透镜相比, 除了具有重量轻、体积小的特点外, 还能较好地校正像差，且易于与光纤耦合及连接等优点, 而被广泛应用于光纤传感系统中,用以测量位移、振动、内外三维曲面和微观形貌等。同样, 将自聚焦透镜运用到光纤数字全息光路中作为物光复振幅的中继传输器件, 不仅可使光学系统小型化, 而且还可以利用其特有的结构特性对一些光线难以到达的隐藏区域进行近距离成像, 从而可实现对物体的隐蔽区域或封闭系统内部全息图的数字记录。
光线在自聚焦透镜中的传播
自聚焦透镜对字母和螺钉成像后的全息再现结果
3.3.4 轴向梯度折射率TFCCD监视镜头
现在安全监控仪器使用非常广泛, 比如政府大楼、银行柜台和自动取款间、学校大门和重点研究机构、道路交通违章和流量监测、工厂车间安全流程和操作监测等。在监控系统中, 监视镜头是一个重要的元件, 它决定了监控区域的范围、摄像的清晰度和分辨率等。根据监控区域的范围不同, 监视镜头的焦距有很大的差别。对于近距离的监视镜头,通常焦距短、视场大。比如自动取款间中监视镜头,焦距约3~ 8mm, 视场一般大于90b。而一些长距离监视镜头, 焦距大( 15~ 2500mm 不等) , 视场角以监控区域决定, 约20b~ 60b。轴向梯度折射率材料近些年来受到很大的重视。单片轴向梯度透镜相当于两片非球面透镜, 因此在校正像差方面优于非球面。并且, 轴向梯度透镜使用球面, 在制造加工、检验检测方面与非球面相比都有很大的优势。国外对轴向梯度折射率透镜的像差理论及其在光学设计中的应用做了大量的研究。国内中科院西安光机所在进行轴向梯度折射率材料的制造研究。
轴向梯度折射率监视镜头比原普通全球面镜头减少了两片透镜。经过像质评价, 后者像质有所提高。
4 展望
随着应用研究的不断深化，对材料折射率分布的精度要求也越来越高，如要求梯度折射率玻璃具有高折射率、大色散、大的折射率差。因而，如何提高新制备技术的产业化进程和提高梯度折射率玻璃折射率分布精度，也是该领域今后研究的方向。
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[7]邵瑞，陈力．梯度折射率光学的发展现状．巢湖学院学报，2006 年第8 卷第3 期
超颖材料（Metamaterials）的发展 李雄SC08009037 机密机械与精密仪器系本人博士阶段的课题方向为超颖材料（Metamaterials）的设计与应用。Metamaterials这一概念在提出之初，通常指的是介电常数(ε)和磁导率(μ)都是负数的材料(物质)，因此它又称负折射率材料、左手材料或双负材料，这在自然界中并不存在。然而随着这一新兴领域的发展，其研究范围被不断扩展，目前，它的范围已包含负折射率材料，单负材料（人工复介电常数材料(ε)和人工复磁导率材料），人工超低折射率材料和超高折射率材料等等。Metamaterials是本世纪物理学领域出现的一个新的学术词汇，正因为其具有自然界物质不存在的奇异特性，因而受到广泛关注，并已在其相关的几个实际应用领域显示出了巨大的应用前景。 1、Metamaterials的发展概述 拉丁语“meta-”，可以表达“超出…、亚…、另类”等含义。对于metamaterial 一词，目前尚未有一个严格的、权威的定义，各种不同的文献上给出的定义也各不相同。但一般文献中都认为metamaterial是“具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料”。 从这一定义中，我们可以看到metamaterial重要的三个重要特征： （1）metamaterials通常是具有新奇人工结构的复合材料； （2）metamaterials具有超常的物理性质（往往是自然界的材料中所不具备的）； （3）metamaterials性质往往不主要决定与构成材料的本征性质，而决定于其中的人工结构。 尽管metamaterials的概念出现于21世纪，但追溯其源头则可以找到上一世纪中后期几位杰出科学家的“灵光一闪”。 1967年，前苏联科学家维克托·韦谢拉戈（Victor Veselago）提出，如果有一种材料同时具有负的介电常数和负的磁导率，这种物质将能够颠覆光学世界，它能够使光波看起来如同倒流一般，并且在许多方面表现得有违常理的行为。然而，众所周知，同时具有负介电常数和负磁导率的材料在自然界中是不存在的，
金属材料与人类社会的发展 概要： 金属是人类历史发展中最不可或缺的材料，更是人类社会进步的关键所在，本篇论文将围绕金属在人类社会中的地位，应用等方面展开。主要论述金属材料与人类社会之间的关系，回顾金属过去在人类历史中的作用，分析其在现代社会的地位，并且展望金属才来的在未来的发展前景。 正文： 从100万年以前,原始人以石头作为工具,称旧石器时代。1万年以前,人类对石器进行加工,使之成为器皿和精致的工具,从而进入新石器时代。现在考古发掘证明我国在八千多年前已经制成实用的陶器,在六千多年前已经冶炼出黄铜,在四千多年前已有简单的青铜工具,在三千多年前已用陨铁制造兵器。我们的祖先在二千五百多年前的春秋时期已会冶炼生铁,比欧洲要早一千八百多年以上。18世纪,钢铁工业的发展,成为产业革命的重要内容和物质基础。19世纪中叶,现代平炉和转炉镍管炼钢技术的出现,使人类真正进入了钢铁时代。与此同时,铜、铅、锌也大量得到应用,铝、镁、钛等金属相继问世并得到应用。至今,金属材料在材料工业中一直占有主导地位。金属材料可以说是人类社会发展的全称见证者，我之所以那么说，是与他在人类社会各个转型期所起到的举足轻重的作用所分不开的。作为人类最早发现并开始加以利用的一种材料，金属可以说从方方面面影响着人类的历史发展进程。从最初把金属打造成狩猎武器到如今人类的生活已完全离不开金属，可见金属早已融入了整个人类社会，那么金属在人类社会中的过去，现在和将来又会是什么样的呢？ 金属的在人类社会的过去时中扮演的角色多为一个时期的社会性质的缩影。如新石器时代，青铜器时代等等，而之所会如此为这些时代命名，归根结底，最主要的原因，便是人类在这一石器开发出了某种新的金属，而这一金属几乎决定了人类在这一时期的文明发展进程。如在战国石器，由于铁器的发明和使用，既解放了农村的大量生产力，又在投入战争使用后，大大缩短了战争的进程，从而加速了整个国家的统一，结束了乱世的局面，使得我国文明在一段动荡时期后能够继续得以正常的发展。其中，金属在武器方面的贡献主要在冷兵
常用物体折射率表材质IOR 值 空气 1.0003 液体二氧化碳 1.200 冰1.309 水（20 度）1.333 丙酮 1.360 普通酒精 1.360 30% 的糖溶液 1.380 酒精 1.329 面粉 1.434 溶化的石英 1.460 Calspar2 1.486 80% 的糖溶液 1.490 玻璃 1.500 玻璃，锌冠 1.517 玻璃，冠 1.520 氯化钠 1.530 氯化钠（盐） 1 1.544 聚苯乙烯 1.550 石英2 1.553 翡翠 1.570 轻火石玻璃 1.575 天青石 1.610 黄晶 1.610 二硫化碳 1.630 石英1 1.644 氯化钠（盐） 2 1.644 重火石玻璃 1.650 二碘甲烷 1.740 红宝石 1.770 兰宝石 1.770 特重火石玻璃 1.890 水晶 2.000 钻石 2.417 氧化铬 2.705 氧化铜 2.705 非晶硒 2.920 碘晶体 3.340
常用晶体及光学玻璃折射率表物质名称分子式或符号折射率 熔凝石英SiO2 1.45843 氯化钠NaCl 1.54427 氯化钾KCl 1.49044 萤石CaF2 1.43381 冕牌玻璃K6 1.51110 K8 1.51590 K9 1.51630 重冕玻璃ZK6 1.61263 ZK8 1.61400 钡冕玻璃BaK2 1.53988 火石玻璃F1 1.60328 钡火石玻璃BaF8 1.62590 重火石玻璃ZF1 1.64752 ZF5 1.73977 ZF6 1.75496 液体折射率表 物质名称分子式密度温度c折射率丙醇CH3COCH3 0.791 20 1.3593 甲CH3OH 0.794 20 1.3290 乙C2H5OH 0.800 20 1.3618 苯C6H6 1.880 20 1.5012 二硫化碳CS2 1.263 20 1.6276 四氯化碳CCl4 1.591 20 1.4607 三氯甲烷CHCl3 1.489 20 1.4467 乙醚C2H5 ? 0 ? C2H5 0.715 20 1.3538 甘油C3H8O3 1.260 20 1.4730 松节油0.87 20.7 1.4721 橄榄油0.92 0 1.4763 水H2O 1.00 20 1.3330 晶体的折射率no 和ne 表 物质名称分子式no ne 冰H20 1.313 1.309 氟化镁MgF2 1.378 1.390 石英Si02 1.544 1.553 氯化镁MgO- H2O 1.559 1.580 锆石ZrO2 ? 1.923 1.968 SiO2
金属材料就业前景文件排版存档编号：[UYTR-OUPT28-KBNTL98-UYNN208]
金属材料就业前景 金属材料就业方向与前景 本人是材料学院的学生，我们学院下设四个专业方向，分别是:金属材料、无机非金属材料、太阳能光伏材料、高分子材料。总体来说，高分子的就业前景最好，其次是金属材料。由于光伏材料是我院第一届招生，所以他们的就业既可能是巨大的机遇，又可能是极大的风险。本人所学专业是金属材料，因此下面我将介绍一些金属材料方面的概况。 金属制品行业包括结构性金属制品制造、金属工具制造、集装箱及金属包装容器制造、不锈钢及类似日用金属制品制造等。随着社会的进步和科技的发展，金属制品在工业、农业以及人们的生活各个领域的运用越来越广泛，也给社会创造越来越大的价值。 2009年金属制品行业的产品将越来越趋向于多元化，业界的技术水平越来越高，产品质量会稳步提高，竞争与市场将进一步合理化。加上国家对行业的进一步规范，以及相关行业优惠政策的实施，2009-2012年，金属制品行业将有巨大的发展空间。 对于金属材料工程专业的毕业生，毕业后主要职业流向有: (1) 材料工程师 (2) 工业工程技术员 (3) 工业工程师 (4) 机械工程技术员 (5) 电子工程师 主要行业流向有: (1) 金属制品业 (2) 初级金属制造业 (3) 交通运输设备制造业 (4) 电子和电器设备及零件制造业 (5) 工商业机械及计算机设备制造业 造船厂技术部做焊接，现在很缺乏焊接的人才，他们招不到焊接方向的人的话就会考虑你的，我有很多同学都去了广州和上海的造船厂去大型制造业做铸造、锻造或者热处理，比如一重、二重、钢厂和汽车制造厂还有就是去一些企业的研发中心做材料测试和研发，这样一般要求是研究生毕业。主要就是技术工作了，部门就是在生产部或者技术部做技术支持、研发部或实验室做产品研发 其实我现在发现最好的是去外资的验证公司，做资格或者质量验证的，真的很好，最主要的是看你的综合个人素质了～
本科毕业设计论文 设计(论文) 题目高斯光束通过梯度折射率介质中的传输特性 指导教师 姓名___________ 辛晓天________ ____ 学生 姓名___________ 赵晓鹏________ ____ 学生 学号_________ 200910320129___ ___ _院系_______理学院________ _ 专业 ____ 应用物理_____ _ 班级____ 0901___ _
高斯光束通过梯度折射率介质中的传输 特性 学生姓名：赵晓鹏指导教师：辛晓天 浙江工业大学理学院 摘要 本文利用广义惠更斯-菲涅耳衍射积分(Collins公式)法，导出了高斯光束在均匀介质和梯度折射率介质中传输的解析表达式。对高斯光束在均匀介质和梯度折射率介质中传输特性进行了分析，重点分析了梯度折射率系数和传输距离对传输特性的影响。结果表明，高斯光束在梯度折射率介质中传输时，随着梯度折射率的变化，轴上光强分布呈周期性变化；在梯度折射率系数一定时，其轴上光强分布关于光强最大位置是对称的。 关键词：广义衍射积分法、高斯光束、均匀介质、梯度折射率介质、传输特性 - 1 -
Propagation properties of Gaussian beams in Gradient-Index medium Student: Zhao Xiao-Peng Advisor: Xin Xiao-Tian College of Science Zhejiang University of Technology Abstract Using the generalized Huygens Fresnel diffraction integral (Collins formula), this paper deduces the analytical expression of Gauss beam in a homogeneous medium and gradient refractive index medium.The Gauss beam propagation in homogeneous media and the gradient refractive index medium are analyzed, and analyze the influence of gradient refractive index coefficient and transmission distance of the transmission characteristics.The results show that Gauss beams in the gradient index medium transmission, along with the change of gradient refractive index, light intensity on axis changes periodically;In the gradient refractive index coefficient is fixed, the axial intensity distribution of light intensity maximum position is symmetrical. Keywords：Generalized diffraction integral; Gaussian beam; homogeneous medium;Gradient-index media; Propagation properties - 2 -
超材料原理 超材料(meta-material)是一种人工的、三维的、具有周期性或非周期性单元结构的、具有某种特殊性质的宏观复合材料。超材料的主要原理是依靠三维复杂单元结构，实现对材料电参数及其空间分布的控制，从而控制电磁波/光波的传输行为。由于超材料常具有显著的三维空间不对称性，其材料参数常具有空间各向异性。 超材料的本质原理与1862年勒鲁(Le Roux)提出的‘反常色散’现象是非常类似的，指随着入射电磁波频段的降低，在吸收频带以上附近形成的折射率随由正值迅速下降的为零甚至负值的现象。负折射率材料内部的群速度(能量速度)和相速度(视觉速度)是相反的，这一点已被化学波实验所证实。 典型的两种超材料结构，负折射率材料和三维隐身衣，其机理是不同的，分别依靠负折射率单元周期排布和渐变正折射率单元空间分布实现的，其实现的单元结构均为分裂环(split-ring resonator，SRR)。 超材料的定义实际上相当宽泛，因为没人能精确定义特殊性质是什么性质。超材料一般用于描述三维结构，但是超材料的概念常与频率选择表面的概念混为一谈，事实上超材料和频选的特征分别是三维体结构，二维平面结构及其层叠结构。超表面属于频选。化学波实验证明了超材料在自然界或各向同性介质中是有可能存在的，尽管机理可能有所不同。
由于任何材料均存在着强烈的色散关系，超材料的特性仅存在于窄频带以内，已知的负折射率材料和隐身衣均是如此。通过单元空间分布方式的精确复杂控制，有可能补偿超材料的色散。 超材料原理的应用范围包括对所有物理波的调制：包括电磁波(光波)、声波、机械波、化学波等，有可能实现波的定向发射、绕射、聚焦、成像。 部分图片来源：学术期刊《science》，《physical review letters》 图1：负折射示意图 图2：负折射结构实物图
负折射率材料在透镜聚焦成像方面的应用 众所周知，传统的光学透镜已经有很悠久的历史，其局限性是没有哪个透镜能将光聚焦在比λ2更小的范围内，即传统的光学透镜要受到光波长的限制。然而使用负折射率材料制成的透镜可以极大地突破这种限制，这种透镜可以聚焦2D成像中的所有傅里叶成份以及那些不能在辐射方式中存在的传播，这样的透镜可以作为微波光束检测的常规手段。Pendry[1]从传统的光学透镜理论出发，模拟了负折射光学透镜的可能性原理，他认为传统的光学透镜只适应于纵向波矢，而无法对横向波矢进行研究,因为横向波矢的衰减太严重，而体现物质光学传输特性的传输波几乎都在横向波矢（衰减波）里面，要对这些传输波进行研究，就得找新材料，显然，负折射率材料刚好能满足这一要求。负折射率材料不仅能够和常规介质一样会聚行波，而且还能增强随距离增加快速衰减的衰逝波振幅，修复衰减波的相位。因此，这种具有传播和增强衰逝波性能的材料可以提高成像分辨率。如果用负折射率材料制成超透镜，那么这样的透镜就有几个重要的优点：（1）由于没有光学轴，因此就不需要对共轴条件有更为苛刻的要求。（2）平行厚板代替曲线形状，其结构更为简单，同时也更能适应于大规模生产的需要。（3）当给定超透镜的结构和光束的波长后，超透镜的分辨率就不受透镜的表面周长和光束波长的限制了，a s/λ越小，其分辨率越高。 利用负折射材料透镜具有高分辨率的这种优良特性，可以制作微型分光仪、超灵敏单分子探测器、磁共振成像及新型的光学器件，可用于进行具有危险性的生物化学药剂探测微量污染探测、生物安全成像、生物分子指纹识别，以及遥感、恶劣天气条件下的导航等。另外，利用负折射率材料的负折射和衰逝波放大特性，可以制作集成光路里的光引导元件，有望制作出分辨率比常规光学仪器高几百倍的扁平光学透镜。负折射率材料还有望解决高密度近场光存储遇到的光学分辨率极限问题，制作出存储容量比现有的DVD高几个数量级的新型光学存储系统。 此外，我们也可以利用负折射率材料制成的平板透镜的汇聚特性实现天线搬移的功能。如下图所示，假设A为实际天线，电磁波经过负折射材料透镜后在B处成像，与天线在B 处的辐射效果相同，所以负折射率透镜在军事中可以起到隐蔽天线A的作用。 图：波在负折射率平板中的传播示意图 [1]Pendry J B.Negative Refraction Makes a Perfect Lens [J].Phys Rev. Lett,2000,85(18):3966～3969.
无机非金属材料的现状与前景 【摘要】无机非金属材料是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。是除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称。在材料学飞速发展的今天，无机非金属材料有这广阔的应用前景和良好的就业形势。 【关键字】无机非金属材料方向前景智能 1. 无机非金属材料的特点及应用 无机非金属材料(inorganic nonmetallic materials)是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。是除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称。无机非金属材料的提法是20世纪40年代以后,随着现代科学技术的发展从传统的硅酸盐材料演变而来的。无机非金属材料是与有机高分子材料和金属材料并列的三大材料之一。 在晶体结构上,无机非金属的晶体结构远比金属复杂，并且没有自由的电子。具有比金属键和纯共价键更强的离子键和混合键。这种化学键所特有的高键能、高键强赋予这一大类材料以高熔点、高硬度、耐腐蚀、耐磨损、高强度和良好的抗氧化性等基本属性,以及宽广的导电性、隔热性、透光性及良好的铁电性、铁磁性和压电性。 无机非金属材料品种和名目极其繁多,用途各异,因此,还没有一个统一而完善的分类方法。通常把它们分为普通的(传统的)和先进的(新型的)无机非金属材料两大类。 普通无机非金属材料的特点是：耐压强度高、硬度大、耐高温、抗腐蚀。此外，水泥在胶凝性能上，玻璃在光学性能上，陶瓷在耐蚀、介电性能上，耐火材料在防热隔热性能上都有其优异的特性，为金属材料和高分子材料所不及。但与金属材料相比，它抗断强度低、缺少延展性，属于脆性材料。与高分子材料相比，密度较大，制造工艺较复杂。
常用物体折射率表 材质IOR 值 空气 1.0003 液体二氧化碳 1.200 冰 1.309 水(20度) 1.333 丙酮 1.360 普通酒精 1.360 30% 的糖溶液 1.380 酒精 1.329 面粉 1.434 溶化的石英 1.460 Calspar2 1.486 80% 的糖溶液 1.490 玻璃 1.500 玻璃，锌冠 1.517 玻璃，冠 1.520 氯化钠 1.530 氯化钠（盐）1 1.544 聚苯乙烯 1.550 石英 2 1.553 翡翠 1.570 轻火石玻璃 1.575 天青石 1.610 黄晶 1.610 二硫化碳 1.630 石英 1 1.644 氯化钠（盐）2 1.644 重火石玻璃 1.650 二碘甲烷 1.740 红宝石 1.770 兰宝石 1.770 特重火石玻璃 1.890 水晶 2.000 钻石 2.417 氧化铬 2.705 氧化铜 2.705 非晶硒 2.920 碘晶体 3.340 常用晶体及光学玻璃折射率表 物质名称分子式或符号折射率 熔凝石英SiO2 1.45843 氯化钠NaCl 1.54427 氯化钾KCl 1.49044
萤石CaF2 1.43381 冕牌玻璃K6 1.51110 K8 1.51590 K9 1.51630 重冕玻璃ZK6 1.61263 ZK8 1.61400 钡冕玻璃BaK2 1.53988 火石玻璃F1 1.60328 钡火石玻璃BaF8 1.62590 重火石玻璃 ZF1 1.64752 ZF5 1.73977 ZF6 1.75496 液体折射率表 物质名称分子式密度 温 度℃ 折射率 丙醇CH3COCH30.791 20 1.3593 甲CH3OH 0.794 20 1.3290 乙C2H5OH 0.800 20 1.3618 苯C6H6 1.880 20 1.5012 二硫化碳CS2 1.263 20 1.6276 四氯化碳CCl4 1.591 20 1.4607 三氯甲烷CHCl3 1.489 20 1.4467 乙醚C2H5·0·C2H50.715 20 1.3538 甘油C3H8O3 1.260 20 1.4730 松节油0.87 20.7 1.4721 橄榄油0.92 0 1.4763 水H2O 1.00 20 1.3330 晶体的折射率n o和n e表 物质名称分子式n o n e 冰H20 1.313 1.309 氟化镁MgF2 1.378 1.390 石英Si02 1.544 1.553 氯化镁MgO·H2O 1.559 1.580 锆石ZrO2·SiO2 1.923 1.968 硫化锌ZnS 2.356 2.378 方解石CaO·CO2 1.658 1.486 钙黄长石2Ca0·Al203·SiO2 1.669 1.658 菱镁矿ZnO·CO2 1.700 1.509 刚石Al2O3 1.768 1.760 淡红银矿3Ag2S·AS2S3 2.979 2.711 注：n o、n e分别是晶体双折射现象中的“寻常光”的折射率和“非常光”的折射率。
超材料——过去十年中人类最重大的十项科技突破之一 狭义上超材料即指电磁超材料,电磁超材料具有超越自然界材料电磁响应极限的特性,能够实现对电磁波传播的人为设计、任意控制。目前该材料被应用在定向辐射高性能天线、电磁隐身、空间通信、探测技术和新型太赫兹波段功能器件等方面。 看好电磁超材料在军工、通信和智能结构等方面的应用前景 电磁超材料在军工领域的应用比较广泛,目前已应用的超材料产品包括超材料智能蒙皮、超材料雷达天线、吸波材料、电子对抗雷达、超材料通讯天线、无人机雷达、声学隐身技术等。 通信领域电磁超材料最具应用前景的就是无线Wi-fi网络,目前光启已进入该领域。 电磁超材料在智能结构中的应用主要有两类:地面行进装备用智能结构和可穿戴式超材料智能结构。智能结构用电磁超材料的市场前景非常广阔 超材料主题相关主要包括:(300077)、龙生股份(002625)、(600804)和(600490)等,建议重点关注国民技术、鹏博士和鹏欣资源。 超材料 “Metamaterial”是21世纪物理学领域出现的一个新的学术词汇，近年来经常出现在各类科学文献。拉丁语“meta-”，可以表达“超出…、亚…、另类”等含义。对于metamaterial一词，目前尚未有一个严格的、权威的定义，各种不同的文献上给出的定义也各不相同。但一般文献中都认为metamaterial是“具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料”。 迄今发展出的“超材料”包括：“左手材料”、光子晶体、“超磁性材料”等。 “左手材料”是一类在一定的频段下同时具有负的磁导率和负的介电常数的材料系统(对电磁波的传播形成负的折射率)。近一两年来“左手材料”引起了学术界的广泛关注，曾被美国杂志评为2003年的"年度十大科学突破"之一。 原理 超材料的应用与原有的材料制备有很大的区别，以往是自然界有什么材料，就能制造出什么物品，而超材料完全是逆向设计，根据针对电磁波的具体应用需求，制造出具有相应功能的材料。 特征 metamaterial重要的三个重要特征： （1）metamaterial通常是具有新奇人工结构的复合材料； （2）metamaterial具有超常的物理性质（往往是的材料中所不具备的）； （3）metamaterial性质往往不主要决定与构成材料的本征性质，而决定于其中的人工结构。 隐形功能 具有讽刺意味的是，超材料曾被认为是不可能存在的，因为它违反了光学定律。 然而，2006年，北卡罗来纳州的（Duke University）和（Imperial College）的研究者成功挑战传统概念，使用超材料让一个物体在微波射线下隐形。尽管仍有许多难关需要克服，但我们有史以来头一次拥有了能使普通物体隐形的方案（五角大楼的国防高级研究计划署[The Pentagon’s Defense Advanced Research Project Agency，DARPA]资助了这一研究）。 制造研究
浅谈负折射率材料的研究进展
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学号20095040067 本科毕业论文 学院物理电子工程学院 专业物理学 年级2009级 姓名毛慧娟 论文题目浅谈负折射率材料的研究进展 指导教师张新伟职称讲师 2013年04月26日
目录 摘要 (1) Abstract (1) 1引言 (1) 2 负折射率材料的异常物理性质 (2) 2.1 群速方向和波矢方向相反 (2) 2.2 负折射现象 (2) 2.3 逆多普勒效应 (2) 2.4 逆Cerenkov辐射 (3) 3 实现负折射率材料的方法 (3) 3.1 双负介质实现负折射 (4) 3.2 手征介质实现负折射 (5) 3.3 光子晶体实现负折射 (6) 4 负折射率材料的应用 (8) 4.1 负折射率材料在军用雷达天线和通信器件中的应用 (8) 4.2 负折射率材料在隐身技术领域中的应用 (10) 4.3 负折射率材料在超灵敏探测仪器中的应用 (11) 4.4 负折射率材料提高空间望远镜分辨率的可行性 (12) 5 结语 (13) 参考文献 (13)
浅谈负折射率材料的研究进展 学生姓名：毛慧娟学号：20095040067 单位：物理电子工程学院专业：物理学 指导老师：张新伟职称：讲师 摘要：本文在介绍负折射率材料的国内外研究发展历程及其异常物理特性的基础上，介绍了负折射产生的原理，阐述了实现负折射率材料的3种主要方法，指出负折射率材料在军用雷达、天线技术、通信系统及器件、隐身技术、超灵敏探测等方面具有极大的应用价值和前景。 关键词：负折射率材料；左手介质；纳米；研究进展 Discussion on the research progress of negative refractive index materials Abstract：after the introduction of the development process of negative refractive index materials on the earth and its unusual physical properties in this paper，I introduce the principle of negative refraction and three main approaches to achieve negative refraction materials，pointed out that negative refractive index materials in militarythe radar antenna technology，communications systems and devices，stealth technology，ultra-sensitive detection has great application value and prospect. Key words：Negative refractive materials；left-handed material；Nano research progress 1引言 近几年，一种称为负折射率系数介质的人工复合材料在理论与实验上引起了广泛的关注。1968年，前苏联物理学家Veselago提出了“左手材料”的概念，这种负折射材料具有负的介电常量与磁导率，那么电矢量，磁矢量和波矢之间构成左手系关系，这区别于传统材料中的右手系[1]。由于自然界没有介电常量和磁
金属材料的应用现状及发展趋势分析 在进行金属材料的应用现状及发展趋势分析之前，先简要介绍一下金属材料。金属材料是最重要的工程材料之一。按冶金工艺，金属材料可以分为铸锻材料、粉末冶金材料和金属基复合材料。铸锻材料又分为黑色金属材料和有色金属材料。黑色金属材料包括钢、铸铁和各种铁合金。有色金属是指除黑色金属以外的所有金属及其合金，如铝及铝合金、铜及铜合金等。工程结构中所用的金属材料90%以上是钢铁材料，其资源丰富、生产简单、价格便宜、性能优良、用途广泛。钢有分为碳钢和合金钢，铸铁又分为灰口铸铁和白口铸铁。 一、金属材料的应用现状 金属材料的结构及其性能决定了它的应用。而金属材料的性能包括工艺性能和使用性能。工艺性能是指在加工制造过程中材料适应加工的性能，如铸造性、锻造性、焊接性、淬透性、切削加工性等。使用性能是指材料在使用条件和使用环境下所表现出来的性能，包括力学性能（如强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度等）、物理性能（如熔点、密度热容、电阻率、磁性强度等）和化学性能（如耐腐蚀性、抗氧化性等）。 金属材料具有许多优良性能，是目前国名经济各行业、各部门应用最广泛的工程材料之一，特别是在车辆、机床、热能、化工、航空航天、建筑等行业各种部件和零件的制造中，发挥了不可替代的作用。 （1）、在汽车中的应用。缸体和缸盖，需具有足够的强度和刚度，良好的铸造性能和切削加工性能以及低廉的价格等，目前主要用灰铸钢和铝合金；缸套和活塞，对活塞材料的性能要求是热强性高，导热性好，耐磨性和工艺性好，目前常用铝硅合金；冲压件，采用钢板和钢带制造，主要是热轧和冷轧钢板。热轧钢板主要用于制造承受一定载荷的结构件，冷轧钢板主要用于构型复杂、受力不大的机器外壳、驾驶室、轿车车身等。还有汽车的曲轴和连杆、齿轮、螺栓和弹簧等，都按其实用需要使用的了不同的金属材料 （2）、在机床方面的应用。机床的机身、底座、液压缸、导轨、齿轮箱体、轴承座等大型零件部，以及其他如牛头刨床的滑枕、带轮、导杆、摆杆、载物台、手轮、刀架等，首选材料为灰铸铁，球磨铸铁也可选用。随着对产品外观装饰效果的日益重视，不锈钢、黄铜的
近五年内梯度折射率光学材料及器件的应用的主要进展 水悦 (安徽大学物理与材料科学学院，安徽合肥 230039) 摘要：介绍几种主要的梯度折射率光学材料和常见的光学器件，论述了梯度折射率器件的应用现状和发展前景。 关键词：梯度折射率材料；梯度折射率器件；应用 前言 梯度折射率介质又称为非均匀介质、变折射率介质或者渐变折射率介质, 指一种折射率不是常数, 而是按一定规律变化的介质, 因此, 英文称作Gradient Index(Grin) 。梯度折射率光学是近40年才发展起来的一门新兴学科。但在自然界中, 早在公元100 年, 人们就己观察到“海市蜃楼”奇景, 它就是由于大气层折射率的局部变化对地面景色产生折射而出现的一种奇观。事实上,不仅大气层,海水、生物眼(较低级的不包括)的折射率也是非均匀的, 人类眼睛晶状体就是梯度折射率变化的,折射率差约为0.015- 0.049,这种梯度变化的材料和晶状体表面的非球面都极有利于像差的校正。通过对这些自然现象的观察、研究,人们逐渐领悟到材料折射率的非均匀性可以导致一些均匀介质所不具有的光学性能。 本文介绍了梯度折射率材料的形成原理，综述了梯度折射率材料的研究进展，梯度折射率材料的发展前景。 1 梯度折射率材料简介及梯度形成原因 梯度折射率光学材料的出现，至今大约有100多年了。早在1854年，J.C.Maxwell就描述了光在梯度折射率介质中传播的表征方程，并提出了现在人们所知道的Maxwell鱼眼透镜；到1899年，R.W.Wood做了光以正弦轨迹在梯度折射率材料中传播的演示；1905年Wood的教科书“物理光学”上就有光通过一梯度折射率槽，显示正弦传播的照片底板。但是只是在近20年来，由于梯度折射率光学材料在复印机和传真机成像阵列以及光纤耦合器等方面的大量应用，才大大地驱动了他从材料制造、相差理论、光学设计应用开发等方面的快速发展。首先是美国罗切斯特大学D.T.Moore教授在设计方法和理论研究方面做了大量工作。在梯度折射率材料和透镜制造方面主要是日本板玻璃公司（Nippon sheet Glass,NSG），在1992年由该公司J.Kitano等人采用离子交换法制成径向梯度折射率材料，后来又研制了齐明透镜，正如人们普遍了解的自聚焦透镜（Selfoc rod lenses）。中科院西安光机所于1975年率先在国内研制成功了梯度折射率材料，相继20多年来得到了很大的发展。其中，安徽大学物理系在1988年至1996年对于球对称折射率光学器件的研究纠正了国际学术界长期认为麦克斯韦“鱼眼”球透镜不能用于成像和耦合的误解。所提出的改进模型及其复合结构不仅焦距短、像差小、耦合效率高、性能优良，且N低，易于制作，对于微小光学器件具有重要应用价值。该研究在国际上率先提出使用不同浓度混合融盐进行多阶段离子交换的方法，解决了制作高质量球对称梯度折射率球形透镜、精确控制GRIN
负折射率材料 实验中发现，在某种材料中，光线的折射与正常折射不同，正常折射时，光线会位于法线的不同侧，在这种材料中，光折射时，光线位于法线的同侧，因此称之为负折射现象，这种材料叫做负折射率材料。在负折射率材料中，电场、磁场和波矢方向符合“左手法则”，而不是常规材料中的右手定则，所以具有负折射率的材料也被称为左手材料。光波在其中传播时，能流方向和波矢方向相反，用同时具备负介电常数和负磁导率的超材料可以得到这一现象，此时超材料具有负折射率，这样的材料也被叫做负折射率材料。 光波是一种电磁波，在传播过程中，电场、磁场和波矢方向遵守右手定则)//(k H E ?。光发生正常折射时，遵守折射定律)sin sin (2211i n i n =，入射光线和折射光线在法线的不同侧，同时遵守费马原理——光程沿平稳值的路径而传播。但是当光波从具有正折射率的材料入射到具有负折射率材料时，介电常数和磁导率都为负)0,0(<<με，折射率n 取负值 )0(<-=εμn ， 电场、磁场和波矢符合左手定则，能流方向和波矢方向相反)(?=。自然电磁材料以原子或分子构成，光学和电磁性质通过化学来改变，介电常数和磁导率既定且取值有限。而超材料一般认为是具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料，通过单胞的几何排列，设计出不同的结构单元，原则上能够实现几乎任意的电磁参数，比如负值。在晶体学中，原胞是最小重复单元具有一个格点，格点上的原子是一个或者两个或者两个以上，单胞是原胞的整数倍，可以通过改变单胞的形状、大小和构型，使单胞达到几十或者几百个原子的量级，甚至更高，从而改变材料的电磁参数，由此控制电磁波的传输。调控电磁参数可以使材料的折射率为负值，使得这种超材料成为负折射率材料。目前扫描隧道显微镜（STM ）可以观察和定位单个原子，此外，扫描隧道显微镜在低温下（4K ）可以利用探针尖端精确操纵原子，所以可以利用扫描隧道显微镜改变单胞的几何结构，得以实现具有负折射率的超材料。研究发现负介电常数可以由长金属导线阵列（ALMWs ）这种结构获得，微型金属共振器，比如具有高磁化率的开口环形共振器（SRRs ）可以实现负的磁导率。将这两种结构结合，即金属导线和开口谐振环阵列结构，可以实现负折射率材料。除此之外，串联电容和并联电感的周期性结构，以及利用量子相干效应或者EIT （电磁感应透明）效应也可以实现负折射率材料。因为量子相干性，或者说“态之间的关联性”，是描述电子向右自旋和正电子向左自旋的状态是相关联的这一现象。EIT 也叫电磁感应透明，是由原子光激发通道之间的量子相干效应引起的，并导致光在原子共振吸收频率处的吸收减小甚至于变成完全透明，是一种消除电磁波在介质中传播过程中所受到的影响的技术。 可以将铜做成金属导线和开口谐振环阵列结构，再添加其它物质做成复合材料。因为铜有很好的延展性，导热和导电性能较好，并且铜在自然界含量丰富，化学性质很稳定，是抗磁性材料。铜已经得到广泛应用，我们对铜的研究已经很完善。铜的熔点较低，容易再熔化、再冶炼，回收利用相当的便宜。此外，铜是人体健康不可缺少的元素，且它的潜在毒性较低。复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良和耐化学腐蚀等特点。以铜为主要元素的复合材料，以不同方式组合而成，可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围，可以满足不同的需求。 根据广义相对论，时间和空间都是可以“弯曲”的，而空间里的光线同样可以弯曲，利用负折射率材料，改变材料的单元结构，通过不同的结合结构和排列设计，实现了让光波、雷达波、无线电波、声波甚至地震波弯曲的想法。据此，负折射率材料可以扭曲光波，阻碍人眼看见物体；或者使电磁波绕过目标实体而实现隐身。
金属材料的发展和展望 一、金属材料的发展过程 材料的发展史就是人类社会的发展史，经历了石器、陶器、青铜器、铁器时代。我们正处于多元材料时代，材料、能源、信息是现代社会的三大支柱。金属材料是指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。包括纯金属、合金、金属材料金属间化合物和特种金属材料等。金属材料一直扮演着重要的角色，例如陆、海、空、各类运输工具，桥梁、建筑、机械工具，国防重工业等。 金属材料发展的四个阶段：由公元前4300年用金、铜、铁铸造锻打制作出大马士革刀、日本武士剑等原始钢铁到十九世纪铁桥铁路的修筑建立学科基础，又由十九世纪中金属学、金相学发展到合金相图、位错理论等微观组织理论的发展。微观理论的深入研究有原子扩散、马氏体相变、位错滑移，原子显微镜、电子显微镜等新仪器的产生又为进一步研究微观组织提供了可能性，随之产生了表面和界面科学。 材料科学研究了材料的核心关系，即结构和性能的关系，制造工艺决定了材料的结构，结构又决定了材料的性能，性能决定了它的用途。材料科学和技术进入世界科技发展优先领域的第五位。在面临环境保护、节约能源的情况下，新材料便应运而生。 现代金属材料有铝镁合金等先进结构材料、钛铝合金等高温合金材料、复合材料、超导材料、能源材料、智能材料、磁性材料、纳米材料等。材料力学性能有强度、弹性、塑性、硬度等，物理性能有电学、磁学、热学、光学性质等。对材料的研究方向正由力学性能慢慢向物性转变。金属材料具有高强度、优良的塑性和韧性，耐热、耐寒。可铸造、锻造、冲压和焊接，还有良好的导电性、导热性和铁磁性，因此是一切工业和现代科学技术中最重要的材料。 二、金属材料的现状 金属材料作为人类推动社会发展的重要载体之一，作为原料在人类的生产生活中已经被广泛应用，金属材料作为原料具有以下等特征，金属材料本身具备高弹性的模量，金属材料具有高强度的韧性，金属材料的强度硬度是其他同类原料所无法比拟的，在当代金属材料科学的不断成长下金属材料在所有材料的范畴中占据了非常非常重要的位置，在现实中，最常见的金属材料应用的领域有航天航空以及建筑工程等行业。 金属材料机械制造业、建筑业、电子信息等领域都有很大的市场和优势。 汽车的制造上有了高强度钢来制造外形，强度高且质量小的镁合金做发动机、变速箱传动机构等；高强度钢是具有很好的强度和韧性的钢种，在吸能性、应变分布能力和应变硬化特性上远远好于传统钢。与铝、镁这类金属材料相比，具有很好的经济性能，会为企业节省大量的制造成本。由于其有良好的强度和韧性等金属特性，因此被广泛的应用在保险杠、车门槛、车门防撞梁等零件上，它的使用既增加了汽车的安全性，又降低了车身自重。而为了适应轻质材料发展趋势，我们要不断的借鉴国外的先进技术，并结合自身发展需求特点，进行高强度钢的研发。 在建筑领域中，每一次新型金属材料、新型工程技术的出现，都将推动着建筑技术的革新，并对建筑师进行建筑创作，表达建筑美学产生巨大影响。金属材料以其优越的材料性能和独特的视觉效果，已经从建筑中最初的栏杆、扶手等局部装饰构件、建筑内部结构框架，逐渐走向建筑表皮，并决定着建筑所呈现的整体形象，表达着建筑美的意境。如今，金属材料在建筑表皮中扮演着重要角色，对应用金属材料进行建筑表皮的创作与研究，已成为材料科学、建筑学、美学等众多学科争相探索的一个重要课题。
NIM （负折射率材料）专题研究 严 杰 一、有关折射的基本概念 1、基本定义与关系式 电磁学的早期即由实验发现了以下规律：各向同性介电物质中电位移矢量与电场强度矢量方向一致，大小成正比，故有 E ε=D ，式中ε是比例系数，称为介电率或介电常数．另外，实验还证明，对各向同性非铁磁性物质，磁感应强度矢量与磁场强度矢量方向一致，大小成正比，故有H B μ=，式中μ比例系数称为导磁率．ε和μ被看成表征物质电磁性质的宏观参数． 在自由空间(无电荷源及传导电流)，由麦克斯韦方程组导出的电磁波波方程为 由此得无色散电磁波传播速度r r c v μεεμ = = 1 式中，0/εεε=r 是相对介电常数； ,/0μμμ=r 是相对磁导率00με，则为ε，μ在真空中的值； 而c 为自由空间(真空中)光速，0 01 με= c 。实际上，按照麦克斯韦场理论，电磁作用过程是经过场(波)而完成的，在真 空条件下，这个作用传递的速度就是c ．可见，麦克斯韦由于提出电磁场方程组而被后人认 为是伟大的科学家这点没错；但由于时代的局限(经典场论产生于距今136年前)，他的理论不可能解释近年来以量子力学、量子光学为基础而完成的超光速、超慢光速实验． 2、折射 折射是自然界最基本的电磁现象之一。当电磁波以任意角度入射到两种不同折射率的介质交界面处时，波传播的方向会发生变化。那么，介质的折射率是如何定义的？ 图一表示介质1中的入射波在介质2中折射，虚线AC ，BE 为波前，由于 , sin ,sin 2211t v CB CE t v CB AB ====θθ故有 此式即为Snell 定律，由它可以计算折射波前进的方向，式中1v ，2v 均为相速。 ,02 2 2 2 2 2 =??-?=??-?t H H t E E εμ εμ 1 2 11222121sin sin n n v v ===μεμεθθ
金属材料的发展现状与前景 摘要：金属是人们日常生活生产中最不可或缺的材料，更是人类社会进步的关键所在，本篇论文主要论述金属材料的种类、性能及在社会发展中的重要应用，并且展望金属材料在未的发展前景。 关键词：金属材料、镁合金、铝合金、稀土、汽车 引言 金属材料是指由金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。包括纯金属、合金、金属间化合物和特种金属材料等。 人类文明的发展和社会的进步同金属材料关系十分密切。继石器时代之后出现的铜器时代、铁器时代，均以金属材料的应用为其时代的显著标志。现代，种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。我们对金属材料的认识应从以下几方面开始： 一、分类： 金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。 1、黑色金属又称钢铁材料，包括含铁90％以上的工业纯铁，含碳2％～4％的铸铁，含碳小于2％的碳钢，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、精密合金等。广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。 2、有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等。有色合金的强度和硬度一般比纯金属高，并且电阻大、电阻温度系数小。
3、特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金，以及金属基复合材料等。 4、金属材料按生产成型工艺又分为铸造金属、变形金属、喷射成形金属，以及粉末冶金材料。铸造金属通过铸造工艺成型，主要有铸钢、铸铁和铸造有色金属及合金。变形金属通过压力加工如锻造、轧制、冲压等成型，其化学成分与相应的铸造金属略有不同。喷射成形金属是通过喷射成形工艺制成具有一定形状和组织性能的零件和毛坯。 二、性能 金属材料的性能可分为工艺性能和使用性能两种。为更合理使用金属材料，充分发挥其作用，必须掌握各种金属材料制成的零、构件在正常工作情况下应具备的性能（使用性能）及其在冷热加工过程中材料应具备的性能（工艺性能）。 材料的使用性能包括物理性能（如比重、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等）、化学性能（耐用腐蚀性、抗氧化性），力学性能也叫机械性能。 材料的工艺性能指材料适应冷、热加工方法的能力。 三、应用现状： 金属材料的发展已从纯金属、纯合金中摆脱出来。随着材料设计、工艺技术及使用性能试验的进步，传统的金属材料得到了迅速发展，新的高性能金属材料不断开发出来。如快速冷凝非晶和微晶材料、高比强和高比模的铝锂合金、有序金属间化合物及机械合金化合金、氧化物弥散强化合金、定向凝固柱晶和单晶合金等高温结构材料、金属基复合材料以及形状记忆合金、钕铁硼永磁合金、贮氢合金等新型功能金属材料，已分别在航空航天、能源、机电等各个领域获得了应用，并产生了巨大的经济效益。 1、镁及镁合金