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导率同时为负的材料，并且也没有相关的实验验证，负折射材料没有得到长足的发展。1996年，英国的Pendry指出可以用细金属导线阵列构造介电常数为负的人工媒质，1999年又指出可以用谐振环阵列构造磁导率为负的人工媒质[2]。2000
年美国的Smith 等人以铜为主的复合材料制造出了世界上第一块在微波波段等效介电常数和等效磁导率同时为负数的介质材料，从而证明了负折射材料的存在。
2 负折射率材料的异常物理性质
2.1 群速方向和波矢方向相反
在普通介质中波矢量方向和电磁波的相位传播矢量方向总是相同的，即相速和群速方向一致，波矢量、磁矢量、电矢量始终构成右手定则。但在负折射率介质中，波矢量和群速方向却正好相反。
2.2 负折射现象
负折射是负折射率材料表现出来的最大特性，也是当今对负折射率材料应用
研究的一个主要方向[3]。自然界中，当入射光线穿过两种介质界面时会发生反射和折射现象，这种现象称为“正折射”，如图1所示。若介质1为普通材料，而介质2为负折射率材料时，入射光线1和折射光线3位于界面法线同侧，且折射光线的能流S 方向与波矢量K 方向相反，被称为“负折射”。负折射率材料的主要特点是改变了光的传播方向。
图1 电磁波在正负折射率介质界面上的反射和折射
2.3 逆多普勒效应
在负折射率介质中，由于相速度和群速度方向相反，即能量传播的方向和相
位传播的方向相反，频移情况呈逆多普勒效应。如图2所示，在普通介质中探测器靠近光源时(发射角频率0ω为的电磁波)，探测到的频率会高于0ω，反之将低于0ω，而在负折射率介质中情况正好相反。
图2两种介质中多普勒效应
2.4 逆Cerenkov辐射
在真空中匀速运动的带电粒子不产生辐射电磁波，而当带电粒子在介质中匀速运动时会在其周围引起诱导电流，从而在其路径上形成一系列次波源发出次波。当粒子速度超过介质中光速时，这些次波互相干涉，从而辐射出电磁波，称为Cerenkov辐射。普通介质中，干涉后形成的波前是一个锥面，电磁波能量沿锥面的法线方向向前辐射出去。而在负折射率介质中，能量的传播方向与相速相反，辐射将背向粒子的运动方向发出，形成逆Cerenkov辐射，如图3所示。
图3 Cerenkov辐射
3 实现负折射率材料的方法
研究者在具有SRRs和导线阵列基础上不断优化该实验，制备了各种微波段的负折射率材料，也有人采用电容和电感组合实现负折射，上述两种方法的原理都是通过设计材料使之产生电共振和磁共振使得介电常数和磁导率均为负实现负折射，称之为双负介质，由于光频段电共振和磁共振会产生很大的损耗，很难实现光频段负折射；此后人们寻求了一些新的方法来制备负折射复合材料，使之向光频段过渡，其中最突出的是手征材料和光子晶体材料。
3.1 双负介质实现负折射
负折射率实现的传统方法是实现SRRs 和导线阵列的优化组合。Pendry 指出
周期排列的金属细线对电磁波的响应与等离子体(具有负相对介电常数)很相似，因为电磁场在金属细线上产生感应电流，正负电荷向细线两端移动，形成了感生电动势。当电磁波的电场极化方向与金属线平行时起高通滤波作用，在低于电等离子体频率时其呈现负相对介电常数；尺寸远小于波长的导电开口谐振环，具有负的相对磁导率，因为开口谐振环受到微波磁场的作用能产生感应环电流，形成一个磁矩，在谐振频率处能形成负磁导率。其满足下式：
()()Γ+--=ωωωωωεi e p eff 22/1
()()Γ+--=ωωωωωμi F m eff 2220/1
式中：p ω是电等离子频率，e ω是电谐振频率，当频率位于两者之间时出现
负介电常数。F 为SRRs 的填充因子，0ω是SRRs 的谐振频率，m ω是磁等离子频率，Γ为损耗因子。当频率位于0ω和m ω之间时，能产生负的磁导率。通过设计可使频率处于既能产生负介电常数又能形成负磁导率的一个共同区域内，形成双负的负折射率介质。Smith 等在上述方法的基础上，将导线阵列和SRRs 组合起来，分别激发电共振和磁共振，首次获得了波频段4.2－4.6GHz 介电常数和磁导率均为负的人工负折射率材料。https://www.doczj.com/doc/a812931156.html,garkov 和KorayAydin 还分别设计了螺旋式和葫芦式单元结构负折射材料。Grbic 等采用电容与电阻的组合实现了双负介质。WangFu 等以独特的结构单元构成了双负介质，其最大的特点是把底层的玻璃基质换成了金属Au ，然后在上面放置一对Au 金属条，该设计能在红外波段49.2－60.7um 实现负折射。
近几年来，研究者把纳米科技应用到双负介质的设计中，分别实现了光频段
的磁共振和电共振，但始终很难实现光频段负折射现象，直到双金属线的出现。但由于其大损耗的原因，很难应用于实践。Vladimir M.Shalaev 等采用电子束刻蚀技术，在玻璃基质上植人了周期排列的双金属线单元，结果得出该材料的折射率随入射光波波长的变化而变化，在 1.5um 处得到了负折射率绝对值的最大值n =-0.3。Kildishev 等对双金属单元进行改进，进一步提高了负折射率绝对值，其最大值可以达到-2。不仅如此，他们还采用一种新的方法得到了光频段双负介质：在玻璃基质上镀3层膜，分别为Au －32O Al －Au ，然后用电子束蚀刻技术在薄
膜上形成周期性排列的纳米尺寸椭圆空洞，该设计能在光频段产生-0.2的折射率，但却未实现损耗的明显降低。Dolling 等分别实现了1.5um 与1.4um 的负折射，并在前不久实现了可见光780nm 的负折射，其基本薄膜构成为Ag －2MgF －Ag 型，在这里用Ag 代替Au 是为了减少损耗，用电子束蚀刻法形成网状结构，该材料能够在可见光频段780nm 处产生-0.6的折射率，但是其虚部系数大于0.75，有待进一步降低损耗。
双负介质由两个共振产生负折射，共振必然产生能量损耗，这是无法避免的，因此不是只要把单元结构做得小就能解决的。直接降低损耗的方法就是不由共振达到负折射，手征介质负折射不需要磁共振，光子晶体负折射两个共振都不需要，它们为负折射材料的合成开启了新的篇章。
3.2 手征介质实现负折射
物体经过平移、旋转等任意空间操作均不能与其镜像重合称之具有手征性。手征性在光学中表现为旋光。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，通常是在基质中掺人尺寸远小于波长的螺旋状微结构。Lindma 首次研究了随机排布铜螺旋对微波偏振的影响。后来人们对手征介质中的两个本征极化波进行了深人的研究，Tretyakov 等的研究证明其中的一个本征波确实具有反常群速度性质，2004年Pendry 提出了采用手性介质与谐振电偶极子组合能实现负折射。如果平面简谐波在无限均匀手性介质中传播，可由Maxwell 方程组得到以下的本构关系：
E ik H B c οοεμμ+=
式中：k 为介质的手征参数，c ε和c μ分别为手征介质的介电常数和磁导率，οε和ομ分别为真空介电常数和磁导率。当真空中的光人射到手征材料时会观察到两束折射光，通过计算可得到右旋圆极化波的折射率为：
k n c c -=οοεμεμ/
从上式中可以看出，只要使右边的表达式为负值就能实现负折射，该表达式有k 、c ε和c μ3个变量。增大k 或者缩小c ε和c μ都能实现负折射。实际上手征参数k 很难增大，要使磁导率变得很小也有一定困难，所以往往采取降低介电常数的办法来实现负折射率。该方法最大的好处是不需要激发磁共振也能够实现负折射，解决了光频段很难实现低损耗磁共振问题。Pendry 提出将电偶极子与手征分子共
掺能够实现负折射，并且还设计了一种从手征性实现负折射的方法：通过把连续的绝缘金属带绕在圆柱上形成一个重叠的螺旋，然后把它周期性排布能够实现负折射。这种设计极大地简化了非常紧凑的内部结构，在共振频率处典型的尺寸小于1：100波长(真空中)。Tretyakov 等也提出了两种在手征材料上实现负折射的方法：一种是在基质中直接掺人螺旋式手性颗粒，目的在于增加手征参数k 实现负折射；另一种是混合电偶极子颗粒与螺旋式手性颗粒，能够缩小c εc μ实现负折射。Cheng 等研究了电磁波从真空到双轴各向异性手征介质中的传播，该材料是在基体中掺入两个不同方向的手性微结构，得出：如果基体是各相同性介质，不能形成负折射；但如果以各相异性介电体或者等离子带电体作为基体，则能够产生负折射。A.Baev 等提出用量子化学方法设计手性材料来实现负折射，并提出把高分子聚合物与金属纳米颗粒混合能缩小c εc μ的值形成负折射。引入金属纳米颗粒能够产生很强的等离子体振动，不仅能够降低折射率的实部产生负折射，而且可以降低折射率的虚部，减少损耗，为实现低损耗光频段负折射提供了一种可行的方法。
3.3 光子晶体实现负折射
自1987年由Yablonovitch 和John 同时提出光子晶体的概念后，有关光子晶
体的理论研究和实验制作立刻引起了广泛的兴趣。它是一种介质在空间分布上具有周期性结构的人工设计的晶体，在介电常数周期性变化的三维介质中，某些频段的电磁波强度因破坏性干涉呈指数衰减，无法在介质中传播，形成电磁波能隙。光子晶体实现负折射按其原理不同，可以分成两大类：第一类是通过对微元结构的周期性设计实现介电常数与磁导率均为负的“双负”结构，其典型的特点是波矢方向K 与能流方向S 相反；另外一类是通过对材料结构单元周期性结构及其基体材料的调制，改变其色散关系，产生类似于电子在晶体中的能带结构，由于其Bloch 散色产生类似负折射的效果。光子晶体实现负折射最大的优点在于它既不需要激发磁共振也无需要激发电共振，即可以不依靠金属的自由电子气直接实现负折射，因此其损耗极低，甚至可以忽略。
随着微加工技术的发展，光子晶体的结构能够实现纳米级的尺寸，具有强大
的潜力使之过渡到光频段的负折射，并且损耗很低，所以光子晶体成为了光频段低损耗负折射材料的热门话题。目前对该材料的研究热点主要集中在三个方面：
(1)通过理论设计和实验证明使之向红外和光频段过渡；(2)改进材料参数使之达
到“完美成像”；(3)改善已有的技术、发展新科技来制作三维光子晶体；(4)通过控制基体特性调节材料折射率的大小。2002年研究者发现在一些简单的二维光子晶体中，虽然介电常数和折射率都为正值，但由于晶体中存在Bragg散射效应，光子晶体对人射光的集体散射效果也能够出现类同于负折射介质的负折射效应和超透镜效应，但是无论怎样改变这种光子晶体平板透镜的几何和物理参数，透镜对点光源的成像还是严格地局限于平板的近场表面区域，如图4(a)。后来研究者把目光转向其它光子晶体，结果证明：在三角晶格或者是由金属圆柱体组成的二维光子晶体和一些三维光子晶体中负折射成像不再受到近场的局限。并且人们利用半导体微加工技术，在Si、GaAs等半导体平面波导基片上制作出了在红外和可见光波段区具有负折射效应和超透镜效应的光子晶体。
图4 各类晶格单元形成的光子晶体及其能带结构图
Wang等采用图4(a)的单元结构制备了二维光子晶体，单元结构为正方体，其中周期排列Si的圆柱体，r=0.25a，a是晶格常数，LC为流体基质(Liquid crystals)；通过平面波展开法得出其能带等频线。通过时域有限差分法模拟发现，通过调节LC的方向能够改变折射率的大小，实现负折射。Zhang为了得到更好
的远场成像，采用了三角形晶格单元的介电体，单元内周期排布了两层的圆柱体，芯层是金属，包层是介电体，结果得到了很好的负折射成像，其不受透镜厚度和物点距离的影响。A.Martinez等利用正方体晶格光子晶体的负折射分析了负折射现象与负折射率的关系，得出了负折射率存在的前提下反而能形成正的相速度，其基本结构单元与图4(a)相似，只是基质不是LC，而是高折射率物质。Lu进行了非常有意思的工作，把三角形晶格和方形晶格混合起来，做成了混合形三维光子晶体，并且得到了近红外的“完美成像”。图4(b)是三角形晶格组分及其能带图，依靠该单元能产生较宽的光子带隙，其晶格常数a=560nm，空气洞孔半径为240nm。图4(c)为方形晶格组分及其能带图，该单元能产生负折射，其晶格常数a=420nm，空气洞孔直径为0.85a。图4(d)是它们混合后的晶格排布。Tang等用椭圆形金属条晶格光子晶体模拟实现了负折射，其结构单元如图4(e)，其晶格常数为a，椭圆的短轴为0.5a，长轴为a；以平面波展开法得出其能带图。K.Ren 改革往常的方法，在具有光电活性的铁电体基质中周期排布空气洞孔，制备了两维光子晶体，其最大的特点在于能够通过电场影响铁电体基质，以此来调制光子晶体常数，达到改变折射率的目的。
4 负折射率材料的应用
4.1 负折射率材料在军用雷达天线和通信器件中的应用
随着负折射率材料基础研究的逐渐成熟，人们开始将负折射率材料的研究提升到应用层面。国外对负折射率材料在军用天线技术领域的应用进行了大量研究探索，理论研究和实验结果表明，负折射率材料在研制新型军事雷达、通信系统天线等方面具有广泛应用前景，对减小雷达尺寸、改善天线指向性、提高增益等性能具有重要军事应用价值。将负折射率材料应用于天线覆层，将能极大地提高天线性能。现代化战争使空间通信与微波武器等领域要求天线不仅要具有高定向性、高增益，还必须重量轻、体积小，普通材料很难两全，负折射率材料却能很好地满足这些需求。选用负折射率材料应用于天线覆层，负折射特性将使穿过其中的电磁波受其散射特性的束缚，只能够在垂直方向附近的小角度内传播，其他方向的传播将被限制，实现对天线辐射电磁波波束的汇聚，减小天线的半波瓣宽度，提高天线的方向性。美国SensorMetrix公司和雷声公司分别进行的研究也证实，采用负折射率材料研制的导弹天线罩，不改变天线罩整体外形，可以有效消除导弹瞄准误差，大幅提高导弹命中精度。
图5 天线辐射示意图
将负折射率材料应用于微带天线可有效抑制天线边沿辐射，减少天线阵元间的干扰。微带天线作为小型化、集成化天线主角，以其三维结构的灵活性受到了各种不同设计目标的全方位开发，并在雷达、导弹遥感技术、引信、通信卫星等许多领域得到应用，但微带天线介质基板中激励起的表面波限制了它的性能。图5为天线辐射示意图。如图5(a)所示，微带天线通过贴片的谐振同时向空间和介质基板辐射电磁波，入射到基板中的电磁波，将被基板底部的金属地板反射，重新辐射到空气中，或在介质基板与空气接触面成Z字形不断发生全反射到达基板边沿，一部分电磁波被反射，另一部分发生边沿散射，这些电磁波的存在将导致天线方向性和工作效率降低，天线增益减小，还会引起天线阵阵元间的相互干扰，形成寄生辐射。利用负折射率材料与正常材料复合作为天线基板，基板中激励起的表面波在两种材料的分界面发生负折射，折射波被金属接地板反射后在分界面处再次发生负折射，使表面波在天线基板中的传播形成闭合路径，如图5(b)所示。Burokur等人研究了负折射率材料对微带贴片天线性能的影响，他们设计了一种圆形辐射贴片微带天线，采用同轴线馈电，选用位于负折射率特性区域中的某一频率作为微带贴片天线工作的中心频率，将一定体积的负折射率材料覆层置于天线前方，发现负折射率材料覆层的引入可使天线的聚焦性和方向性更好，增益提高了2.8dB，改善了天线的性能；若选用损耗小的负折射率材料且保证良好的波阻抗匹配，天线的增益可达到12dB。另外利用负折射率材料的相位补偿效
应，可突破传统微带天线的半波长电尺寸的束缚，使得小型化设计成为可能。
微波段负折射率材料还可广泛应用于微波器件，例如，利用负折射率材料中能量与相位传播方向相反的特性，Engheta N提出利用负折射率材料可以实现对普通材料进行相位补偿，从而构成一种新型的谐振腔。这种谐振腔的谐振频率跟其厚度无关，而只决定于两种材料厚度的比例。因此这种谐振腔的厚度可以做得非常薄。利用这一原理制造出新型微带谐振器，其尺寸远小于传统的半波长微带谐振器。利用基于左手传输线的新型谐振器，可以构成具有谐波抑制功能、且结构紧凑的新型滤波器。另外，还可以用于前向波方向耦合器、宽带相移器、分布式放大器等。利用逆多普勒效应则可应用于制备体积小、成本低、频段宽的高频电磁脉冲发生装置等。
4.2 负折射率材料在隐身技术领域中的应用
随着电子技术的飞速发展，隐身技术受到世界各国的高度重视，也是各国科学家一直研究的重要方向。隐身技术是通过控制武器系统或作战平台的信号特征，使其难以被发现、识别和跟踪打击的技术。目前各国的隐身技术，主要是利用各种吸波、透波材料实现隐形；采用红外遮挡与衰减装置、涂敷材料等降低红外辐射强度，实现对红外探测器的隐身。负折射率材料在其特性频带范围内对电磁波有较高的传输，即实现电磁波从原来的禁带到导带的转变，可以有效地降低特定频带范围的电磁波反射。利用负折射率材料制造的武器系统或作战平台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电磁波，从而在技术上实现真正意义上的隐身。
图6所示为美国杜克大学电子与计算机工程系D.R.Smith教授等人和英国帝国学院物理系J.B.Pendry教授等人合作，基于人工电磁材料在微波频段设计的一个二维电磁波传播路径图，圆环内的部分代表负折射率材料，实线代表波的传播，可以看出，电磁波在材料内部发生了弯曲，从整个大圆压缩到圆环内，在中间形成一个没有波传播的“空洞”。人之所以能看见物体，是因为该物体阻挡了光线，并将其反射至人眼；雷达则是利用发射电磁波遇到物体反射回来，形成一个可以探测到的影子。而电磁波或光波对于负折射率材料覆盖的空间既没有波的折射，也没有散射，而是绕过“空洞”传播，如果将物体放在洞中，因为没有波触及物体，也就没有携带关于物体信息的波被反射回来，因此人或雷达等也就不可能发现物体，从而使物体产生了视觉隐身。
图6电磁波在负折射率材料中的传播路线
2006年，Schurig展示了一种利用负折射率特性的“隐身斗篷”的雏形。“隐身斗篷”的基本原理是：通过在物体表面包覆一层负折射率材料，这样入射光或电磁波将被弯曲，并且绕过包覆层，从而出现隐形的结果。“隐身斗篷”内的物体就好像在空间中挖开了一个洞，任何光和电磁波将直接穿透这个洞，从而不会看到斗篷中隐藏的物体。“隐身斗篷”将不仅仅被应用于“隐身”，凭借它的帮助，任何电磁信号都可以更为有效地绕开干扰和阻隔，从而保持信号的完整性。因此，“隐身斗篷”在抗电磁干扰器件中也将有广阔的应用前景。
从近年来负折射率材料的应用研究进展情况看，未来负折射率材料在电磁隐身、可见光隐身和声隐身方面将具有广泛的应用前景，并有可能替代现有的各种隐身技术，广泛应用于航天器、飞机、舰艇、地面战车以及重要军事设施和人体隐身等领域，导致一场隐身技术领域的革命，使目前的各种探测设备失去作用，在未来战场上给技术落后一方带来灾难性后果。
4.3 负折射率材料在超灵敏探测仪器中的应用
显微镜、放大镜等光学器件的制造一直被一条光学规律所限制：无论光学仪器的镜片多么精良，任何小于光的一个波长长度的物质都是无法观察到的。利用负折射率材料制成的透镜却能克服这个问题，制作成“理想”透镜，它不仅和常规的介质一样能会聚行波，而且还能聚焦随距离增加快速衰减的衰减波。一般会聚透镜的工作原理是将透镜一侧的光源通过具有一定曲度的材料将光源的图像重新会聚于透镜的另一侧，根据Snell定律，一般透镜的解析度都受限于物体表面辐射源所散射出的消散波的损失，其值随着垂直表面的距离作指数衰减，在成像时，这些随距离消散的波相位将损失掉，而产生相差，这也是普通介质透镜无法克服的问题。对于如图7所示的负折射率材料平板透镜而言，依照Snell定律，
所有点波源发散的波都会重新会聚到平板介质中的某一点，相位不会有部分遗失。根据Fresnel定律可以验证，入射板状结构负折射率材料的电磁波对于消散场的衰减可被抵消掉，即电磁波的振幅经介质后仍能调回原振幅，使得横向波的相位不因振幅衰减而失真，从而突破了一般透镜成像的极限。
利用负折射率材料的理想透镜特点，制作微型分光仪、超灵敏单分子探测器、磁共振成像设备及新型的光学器件，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负折射和倏逝波放大特性，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透镜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DVD高几个数量级的新型光学存储系统。
图7负折射率材料透镜成像
4.4 负折射率材料提高空间望远镜分辨率的可行性
国外有人提出用负折射率材料做一个补偿器，用于空间望远镜，对反射镜反射下来的渐失场进行增益补偿，使其参与成像，从而实现空间望远镜分辨率的突破。其基本结构形式如图8所示，在经典Cassegrain式望远镜的像平面前是用负折射率材料制作的补偿器，该补偿器相当于一个高带通滤波器，其中A是一个变折射率的旋转器，用于改变光线的偏折方向使其都汇聚到焦点，B是负折射率透镜，用于对渐失场进行增益放大，使其参与成像。渐失场成像的锐度很高，目前电子器件成像阵列不能满足分辨的要求，所以这个补偿器还要包括一个用负折射率材料制作的圆柱透镜，对渐失场成的像进行放大。
这只是个初步的构思，在具体实现上还存在一些困难。从物体表面发出的渐失场的确含有物体的精细结构信息，但渐失场存在于物体表面很近的范围，望远镜与被观测物体距离都很远，渐失场在传播过程中指数衰减，到达反射镜的部分会近乎没有。负折射率材料能对渐失场进行增益放大，但怎样合理的结构形式的负折射率材料能把衰减到近乎没有的渐失场放大到可以参与成像的程度是个技
术难点。负折射率材料对渐失场的增益放大特性给空间望远系统传统分辨率的突破带来可行性，并有很大的研究空间。
图8 采用负折射材料的Cassegrain式望远镜
5 结语
负折射率材料具有独特的电磁特性和潜在的应用前景，对于它的研究开创了一个全新的领域，随着负折射率材料研究的发展，许多原有的技术将得到新的发展和突破。对负折射率材料的研究已经成为国际科学界关注的热点，它吸引了许多科学研究者的兴趣，负折射率材料对未来武器装备发展和军事作战同样是一个具有重要影响的新兴技术领域，将推动武器装备发展实现重大创新，成为世界军事强国争夺军事优势地位的一个制高点。
参考文献
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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，
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
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.
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
浅谈负泊松比材料及其在土木工程中的应用 发表时间：2018-05-15T14:56:59.703Z 来源：《知识-力量》2018年3月上作者：张涛1 吴江川2 陈博3 [导读] 本文主要介绍了负泊松比材料的发展概况、分类以及负泊松比材料的力学性能和它在土木工程中的应用。 （1.重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074；2.重庆交通大学土木工程学院,重庆 400074；3.重庆交通大学土木工程学院,重庆 400074）摘要：负泊松比材料作为现代新型高性能材料，它具有许多与普通材料不同的性质。它与普通材料最大的区别就在于它的几何性质--受拉时其垂直方向膨胀，受压时垂直方向收缩。本文主要介绍了负泊松比材料的发展概况、分类以及负泊松比材料的力学性能和它在土木工程中的应用。 关键词：负泊松比；分类；性能；应用 以著名法国数学家西蒙·泊松命名的泊松比,用公式表示为: 。式中:εj表示横向收缩应变,εi表示纵向伸长应变；i、j分别为两相互垂直的坐标轴。自然界大多数材料是正泊松比材料，受拉时横截面面积将变小,受压时横截面面积变大；自然界中也存在与此性质相反的材料，拉时横截面面积将变大,受压时横截面面积变小。如黄铁矿、砷、镉和一些动物的皮肤就是天然的负泊松比材料。 一、负泊松比材料研究概况 自20世纪80年代Lakes首次通过对普通聚合物泡沫的处理得到具有特殊微观结构的负泊松比材料,测得其泊松比值为-0.7后，负泊松比材料的相关研究从此变得日益活跃，越来越多的科研人员投入到负泊松比材料的研究之中。目前对负泊松比材料的研究主要分为以下四方面：(l)各种负泊松比材料的制备及微观结构特征研究；(2)引起材料负泊松比的机理研究；(3)负泊松比材料的静、动力学行为研究；(4)负泊松比材料的应用研究。 二、负泊松比材料分类 Lakes首次对普通聚合物处理得到负泊松比材料后，近三十年以来，与负泊松比材料的相关的研究越来越多、涉及领域越来越广泛，拓扑学的引入更是为探索新型负泊松比结构垫定了数学基础。目前负泊松比材料类型主要分为以下几类：1、多孔状负泊松比材料 多孔状负泊松比材料包括泡沫材料和蜂巢状结构材料，它是指一相为固体,另一相完全由孔隙或液体组成的复合材料,如自然界的岩石、木材等。多孔状负泊松比材料可以在二维结构结构上具有负泊松比效应,也可以三维结构上具有负泊松比效应。目前已发现，在二维结构上由内凹泡孔结构单元组成的蜂窝状固体材料具有负泊松比值；在三维结构上Lakes和 Witt通过对传统结构单元进行转变得到三维内凹结构单元，三维凹结构单元组成的多空状材料具有负泊松比效应。 2、负泊松比复合材料 负泊松比复合材料包含两类，第一类是由普通材料通过特别的铺层方式形成的负泊松比复合材料;另一类就是引入负泊松比增强纤维或者其他负泊松比材料来使复合材料具有负泊松比效应。第一类负泊松比复合材料制备较第二类负泊松比复合材料制备更难，所以一般制备的负泊松比复合材料都是通过第二类方法进行制备。 3、分子负泊松比材料 分子负泊松比材料是指微观结构上具有负泊松比结构（如有倒插蜂窝网络形状）的一类材料。这种材料通过微观上的负泊松比效应的某种叠加机制，最终形成这种宏观层面上的负泊松比效应的物质。目前从分子层面上，设计一种负泊松比材料是不少科研人员研究负泊松比材料的方向。比如说，Evans等基于凹式蜂窝几何学的立体分子网络进行了负泊松比效应预测；Baughman等提出一种由聚二炔链组成的三维分子网络可表现出负泊松比效应。 三、负泊松比材料的力学性能 负泊松比材料由于它特殊的几何结构和力学反应导致了它具有许多普通材料不具备的优异性能，其主要力学性能主要分为以下几种：（1）抗爆抗冲击性能，在冲击过程中，破口周围材料由于负泊松比效应，会向破口聚，将破口填充，封闭或减小弹孔，提高抗爆抗冲击能力。因此，它可以作为于舰艇、坦克等的防御装甲。 （2）缺口断裂韧性高，根据张耀强等人进行的负泊松比材料与正泊松比材料的对比实验，可知负泊松比材料因为存在独特的裂纹尖端应力场，所以它在断裂破坏时断裂强度比普通材料更大、断裂韧性也比普通材料更大。 （3）剪切模量高，根据负泊松比泡沫材料的抗剪实验数据可以得到其剪切模量最高可以达到普通泡沫的2倍左右，远远超过一般材料。一般大型飞机机身蒙皮要承受较大的扭转载荷，芯层的泡沫或蜂窝极易被剪切破坏，所以一般都选用负泊松比泡沫或蜂窝作为夹芯材料。 （4）减振吸能，张梗林等人通过对负泊松比蜂窝材料与正泊松比材料分别构成的减振器实验分析得到负泊松比材料构成的减振器的性能更优。这是因为蜂窝隔振器内部是由蜂窝胞元周期性组合而成，具有良好的变形特性，可以将动能转化为应变能，从而达到减振效果。 四、负泊松比效应在土木工程中的应用 负泊松比材料的优异性质目前主要应用于航天飞机蒙皮制造以及船舶防撞装置设计。在土木工程方面的应用也有不少，主要目前主要有以下几方面。 （1）桥梁伸缩缝装置，2015年长安大学的尹冠生教授等人成功实现了基于负泊松比结构的桥梁伸缩缝装置。桥梁变形要求伸缩缝在平行、垂直于桥梁轴线的两个方向，均能自由伸缩、牢固可靠；车辆行驶过时应平顺、无突跳与噪声；要能防止雨水和垃圾泥土渗入阻塞；安装、检查、养护、消除污物都要简易方便。而负泊松比蜂窝结构具有拉时其垂直方向膨胀，受压时收缩的性能。所以安装在梁体间隙之间具有足够的变形能力，同时负泊松比效应使得材料的力学性能得到增强使蜂窝结构在横向和竖向具有一定的承载能力，这样既可满足桥上汽车平稳通过，又能满足桥梁横向具有足够的刚度和强度。 （2）以NPR锚杆/索支护原理为基础的围岩支护体系的应用，何满潮等根据负泊松比材料的结构效应，设计了宏观尺度上的NPR锚杆/索，通过的带有椎体的杆件与套管的相对滑移实现拉伸-膨胀效应，以钢构件的摩擦损耗吸收岩体多余的变形能，实现了岩体大变形的控制加固、监测预警技术。该应用在岩石力学领域首次提出NPR支护的概念及其理论应用。
第４３卷第２期２０１９年４月南京理工大学学报 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＶｏｌ.４３Ｎｏ.２Ａｐｒ.２０１９ 一收稿日期:２０１８－０５－１１一一修回日期:２０１８－０６－２５一基金项目:国家科技重大专项(２０１８ＺＸ０４０２４００１)?江苏省研究生科研创新计划(ＫＹＺＺ１６＿０１７７)一作者简介:高强(１９９１－)?男?博士生?主要研究方向:汽车轻量化?被动安全?Ｅ￣ｍａｉｌ:ｇａｏｑｉａｎｇｓｉｒ＠１６３.ｃｏｍ?通讯作 者:王良模(１９６３－)男?博士?教授?主要研究方向:汽车轻量化?新能源汽车?Ｅ￣ｍａｉｌ:ｌｉａｎｇｍｏｗａｎｇ＿ｎｊｕｓｔ＠１６３.ｃｏｍ?一引文格式:高强?王良模?钟弘?等.负泊松比结构的三点弯曲性能研究[Ｊ].南京理工大学学报?２０１９?４３(２):１４１－１４６.一投稿网址:ｈｔｔｐ://ｚｒｘｕｅｂａｏ.ｎｊｕｓｔ.ｅｄｕ.ｃｎ负泊松比结构的三点弯曲性能研究 高一强１?王良模１?钟一弘１?钱雅卉１?王晨至２ (１.南京理工大学机械工程学院?江苏南京２１００９４?２.深度工程公司?密歇根特洛伊４８０８４?美国) 摘一要:该文研究了内凹六边形负泊松比结构的三点弯曲力学性能?基于显式动力有限元ＡＮＳＹＳ/ＬＳ￣ＤＹＮＡ建立了该结构的有限元模型?进行了冲击试验仿真?并以单位质量吸能量(ＳＥＡ)和碰撞力峰值(ＰＣＦ)为评价指标?探究了胞元结构参数对其性能的影响?研究结果表明?胞元厚度增加或胞元高度降低?可使ＳＥＡ与ＰＣＦ同时增加?ＳＥＡ随着胞元宽度的增大先升高后降低?而ＰＣＦ则呈相反的趋势?ＳＥＡ随着胞元内凹角的增大而减小?而ＰＣＦ在内凹角较小及内凹角约４５?时较大?因此?合理选择胞元参数对提高负泊松比结构的弯曲力学性能具有重要意义? 关键词:内凹六边形结构?负泊松比?三点弯曲?胞元结构 中图分类号:ＴＢ３３２一一文章编号:１００５－９８３０(２０１９)０２－０１４１－０６ ＤＯＩ:１０.１４１７７/ｊ.ｃｎｋｉ.３２－１３９７ｎ.２０１９.４３.０２.００３ ＲｅｓｅａｒｃｈｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｔｈｎｅｇａｔｉｖｅＰｏｉｓｓｏｎ ｓｒａｔｉｏ ｕｎｄｅｒｔｈｒｅｅ￣ｐｏｉｎｔｂｅｎｄｉｎｇ ＧａｏＱｉａｎｇ１?ＷａｎｇＬｉａｎｇｍｏ１?ＺｈｏｎｇＨｏｎｇ１?ＱｉａｎＹａｈｕｉ１?ＷａｎｇＣｈｅｎｚｈｉ２ (１.ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ?ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ?Ｎａｎｊｉｎｇ２１００９４?Ｃｈｉｎａ?２.ＩｎＤｅｐｔｈＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｏｌｕｔｉｏｎｓ?ＬｉｍｉｔｅｄＬｉａｂｉｌｉｔｙＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ?Ｔｒｏｙ４８０８４?ＵＳ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＩｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｃｒａｓｈｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓｏｆｔｈｅｃｏｎｃａｖｅｈｅｘａｇｏｎａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｔｈｎｅｇａｔｉｖｅＰｏｉｓｓｏｎ ｓｒａｔｉｏｕｎｄｅｒｔｈｒｅｅ￣ｐｏｉｎｔｂｅｎｄｉｎｇ?ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｃｅｌｌｕｌａｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓ?ｔｈｅｗｉｄｔｈ?ｔｈｅｈｅｉｇｈｔａｎｄｔｈｅｉｎｎｅｒｃｏｎｃａｖｅａｎｇｌｅｏｎｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｓｆｏｃｕｓｅｄｕｓｉｎｇｔｈｅｅｘｐｌｉｃｉｔｄｙｎａｍｉｃｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔＡＮＳＹＳ/ＬＳ￣ＤＹＮＡ.Ｔｈｅｓｐｅｃｉｆｉｃｅｎｅｒｇｙａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ(ＳＥＡ)ａｎｄｔｈｅｐｅａｋｃｒｕｓｈｉｎｇｆｏｒｃｅ(ＰＣＦ)ａｒｅａｄｏｐｔｅｄａｓｃｒａｓｈｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓｉｎｄｉｃｅｓ.ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅＳＥＡａｎｄｔｈｅＰＣＦｉｎｃｒｅａｓｅａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｔｈｅｃｅｌｌａｎｄｄｅｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｃｅｌｌｈｅｉｇｈｔ?Ｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｃｅｌｌｗｉｄｔｈ?ｔｈｅＳＥＡｉｎｃｒｅａｓｅｓｆｉｒｓｔａｎｄｔｈｅｎｄｅｃｒｅａｓｅｓ?ｗｈｉｌｅｔｈｅＰＣＦｐｒｅｓｅｎｔｓｔｈｅｏｐｐｏｓｉｔｅｔｒｅｎｄ.ＴｈｅＳＥＡｄｅｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｉｎｎｅｒｃｏｎｃａｖｅａｎｇｌｅ.
负泊松比（拉胀）材料相关资料收集 一、概述 泊松比是基本的材料参数之一，衡量了固体在垂直加载方向变形与加载方向变形之间的比值，变化范围在0。5与-1之间。 下表是一些材料的典型泊松比值： Material poisson's ratio rubber~ 0。50 gold0。42 saturated clay 0。40–0。50 magnesium0。35 titanium0。34 copper0。33 aluminium-alloy 0。33 clay0。30–0。45 stainless steel0。30–0。31 steel0。27–0。30 cast iron0。21–0。26 sand0。20–0。45 concrete0。20 glass0。18–0。3 foam0。10–0。40 cork~ 0。00 auxetics negative 泊松比作为基本的弹性常数，可以由体积模量K和剪切模量G的比值来确定，满足如下关系： 这意味着泊松比实际上表征了材料在载荷作用下发生形状畸变或者体积变形之间的竞争。 通常情况下，材料具有正的泊松比(Positive Poisson Ratio)，即材料在受到纵向拉伸时，横向尺寸收缩。如果横向尺寸变大，这种材料就是负泊松比（Negative Poisson Ratio，简称为NPR或Auxetic）材料。 二、历史
1982年，Ashby首次指出具有细胞状结构的材料，在变形时，能产生负的泊松比。人们也已经发现合成材料能够产生负泊松比的现象，如：“可再入”泡沫材料、多孔聚合物、聚合物层压材料。 从分子设计出发合成负泊松比材料少有报道。Evans于1991年用分子模拟技术，利用分子内的自由体积，从几何结构出发，设计了一种可能产生NPR效应的二维分子网络结构，提供了一个从分子水平裁剪泊松比的例子。1997年，Griffin 提出了一种基于主链型液晶高分子NPR材料的模型（Fig。 1），随后又从理论上计算了这种分子模型产生负泊松比时横向液晶基元需要满足的尺寸条件。 受Griffin分子模型的启发，通过液晶共聚酯实现负泊松比效应的尝试，合成了一系列有望具有负泊松比效应的液晶共聚酯（Fig。 2）。 三、实例 聚乙烯醇(PVA)水凝胶 具有特殊多孔结构，除有高含水性、高弹性、化学稳定性、对小分子的透过性以及良好的生物相容性，还具有负泊松比效应的可设计性，可作为软骨、椎间盘、肌肉韧带等软组织的替代植入修复材料，应用在生物医用材料领域，缓解动脉硬化、血栓等血管疾病对人体造成的危害。虽然人们已对一些生物组织和生物材料的负泊松比效应进行了研究，但迄今为止还没有出现临床应用的生物功能拉胀材料的相关报道；在关于多孔聚乙烯醇(PVA)水凝胶出现负泊松比效应的微观结构、形态与形变机理等方面，国内外研究较少，对相关的材料体系缺乏充分的实验数据和理论依据。 液晶高分子聚酯阻燃PVC 经分子设计，通过2，5—二对烷氧基苯酰氧基对苯二酚、4，4&apos；—二羟基—αω—二苯氧基癸烷和4，4&apos；—癸二酰氧基二苯甲酰氯之间的缩合反应合成了一系列具有负泊松比潜能的液晶共聚酯。 所有聚合物的熔点都非常低，表明合成的一系列液晶聚合物非常容易进入液晶态，并且液晶场能够很好地保存到室温。另外，所得聚合物的分解温度都高于聚合物的清亮点，这为负泊松比材料的加工提供了条件。
? 78 ? ELECTRONICS WORLD ?探索与观察 提出了一种双频高折射率超材料，该单元结构由“方环型”和“方型”的复合金属结构和介质基底组成，且复合金属结构嵌入在介质基底中。其高折射率特性通过增强单元间的电耦合来增大有效电常数，同时减少金属结构的抗磁效应来提高有效折射率，最终实现了超材料的高折射率特性。提出的超材料结构在0.1-1THZ频段内实现了双频高折射率特性，分别在0.51THz和0.69THz取得了折射率峰值，其值分别为8和7，且可以通过控制结构的几何参数来调整两个频段的折射率。 引言:超材料是一种具有人工设计结构并呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的人造材料。超材料的性质不是由组成材料的固有性质决定的，而是由人工设计的“超原子”决定的。通过合理的设计“超原子”的尺寸和形状，以及不同的排列方式，能够实现各种奇特的电磁特性。通过调整超材料的电响应和磁响应，其有效折射率值可以实现从负折射率（Smith D R,Pendry J B,Wiltshire M C K.Metamaterials and Negative Refractive Index:Science,2004）、零折射率（Ziolkowski R W.Propagation in and scattering from a matched metamaterial having a zero index of refraction:Physical Review E Statistical Nonlinear & Soft Matter Physics,2004）到超高折射率的变化。近年来，人们主要关注负折射率和零折射率超材料，而很少关注高折射率超材料。然而，由于光学图像的分辨率与系统中透镜材料的折射率成正比，因此在成像和光刻领域需要高的正折射率材料（Xiao S,Drachev V P,Kildishev A V ,et al.Loss-free and Active Optical Negative-index Metamaterials:Nature,2010）。在太赫兹波段，高折射率超材料也可以为发展太赫兹光学器件开辟新道路，促进如太赫兹隐身（Zhou F,Bao Y ,Cao W,et al.Hiding a Realistic Object Using a Broadband Terahertz Invisibility Cloak:Scientific Reports,2011）、光延迟线（Karalis A,Lidorikis E,Ibanescu M,et al.Surface-plasmon-assisted guiding of broadband slow and subwavelength light in air:Physical Review Letters,2005）、光栅（Park S G,Lee K,Han D,et al.Subwavelength silicon through-hole arrays as an all-dielectric broadband terahertz gradient index metamaterial:Applied Physics Letters,2014）、高折射率透镜（Tsai Y J,Larouche S,Tyler T,et al.Design and fabrication of a metamaterial gradient index diffraction grating at infrared wavelengths:Optics Express,2011）等太赫兹功能器件的发展。 Sivenpiper 等人早前提出了一种非谐振亚波长的平行金属板阵列，通过平行板之间的电耦合来提高有效介电常数，从而获得高折射率特性（Sievenpiper D F,Yablonovitch E,Winn J N,et al.3D Metallo-Dielectric Photonic Crystals with Strong Capacitive Coupling between Metallic Islands:Physical Review Letters,1998）。然而， 所提出的结构具有很大的抗磁效应（0< μ?1），因此，该结构的折射率没有显著的提高。随后，Wood 和Pendry 证明了一种金属立方体结构的抗磁效应是由于金属上的感应电流环产生的磁矩与外加磁场方向相反造成的（Wood B,Pendry J B.Metamaterials at zero frequency:J Phys Condens Matter,2007）。后来Shin 等人用数值方法证明了通过适当的对立方体结构进行改造，可以减小感应电流包围的区域，来减小抗磁效应（Shin J,Shen J T,Fan S.Three-dimensional metamaterials with an ultrahigh effective refractive index over a broad bandwidth:Physical Review Letters,2009）。基于这些理论，Choi 等人设计出了一种太赫兹波段的“工”型高折射率超材料（Choi M,Lee S H,Kim Y ,et al.A terahertz metamaterial with unnaturally high refractive index:Nature,2011），该结构在增大电耦合的同时减小了抗磁效应，实现了超高折射率特性。近年来，在高折射率超材料的发展中，虽然已经取得了一些成果（Singh R,Yan F,Zhang W,et al.Terahertz metasurfaces with a high refractive index enhanced by the strong nearest neighbor coupling:Optics Express,2015；Shi H,Lu Y ,Wei X,et al.Characterization for metamaterials with a high refractive index formed by periodic stratified metallic wires array:Applied Physics A,2009），但很少有人提出双频段的高折射率超材料。 1 单元结构设计 我们提出的结构单元如图1所示，方环金属贴片和方形金属贴片嵌入到介质基底中。其中，金属由电导率为5.8×107s/m ，厚度为0.2um 的铝组成；介电基底的材料为聚酰亚胺，其介电常数为3.4，损耗正切角为0.0027，且介质基底的厚度为30um 。结构的其它参数如下：p=200um ，L 1=L 2=88um ，w=8um 。此外，y 方向上相邻方环金属结构之间的缝隙g 1=p/2-L 1，相邻方形金属结构之间的缝隙g 2=p/2-l 2。 图1 单元结构示意图
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。
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
负折射率材料的特点及其应用 背景 自然界存在的介质都是折射率大于0的，我们常接触的材料的折射率多数都是大于1，在定性思维的误区下，人们认为介质的折射率都为正。 直到1968年，苏联物理学家维克托·韦谢拉戈（Victor Veselago）【1】提出了负折射率的理论。由于韦谢拉戈的这一设想完全颠覆了人们所认知的光学世界，它能够使光波看起来如同倒流一般，在许多现象描述上完全背离常规，所以在相当长的时间内都不被人们认可，这种荒诞的想法没有必要去研究证明。 Veselago为了证明自己的观点开始苦苦寻求满足要求的物质，但是他失败了。没有充足的证据证明他的猜想，渐渐地就被人们淡忘了。 19966年~1999年，英国的Pendry从理论上提出了一种由开路谐振金属环构成，具有等效的负介电常数和负磁导率的三维周期结构，【2】~【3】这一发现理论上证明了负折射率材料的可存在性，使Veselago的猜想重新摆在了人们面前。 不久，美国的Smith等在2000年金属丝板和SRR板有规律地排列在一起，制作了世界上第一块等效介电常数和等效磁导率同时为负数的介质，从实验上验证了负折射率的存在。【4】~【5】他们研制出了相应的器件，负折射率材料由此进入了实质性研究的阶段。 2001年，Shelby等人首次在实验上证实了当电磁波斜入射到左手材料与右手材料的分界面时，折射波的方向与入射波的方向在分界面法线的同侧。【6】 图1.负折射率的超材料 近年来，负折射率材料的研究愈发成为科学界的热点，这要应用于军事、航天等高端领域，起因了国内外众多研究者的注意，涉及电磁波、光电子学、材料学等方面。
随着对负折射率材料的研究，又掀起了一阵对新兴领域的发展，即超颖材料（Metamaterials ）。超颖材料不只包含负折射率材料，也包含单负材料，人工超 低折射率材料和超高折射率材料等。【7】 正如折射率材料的提出一样，超颖材料的重要意义不仅体现在所研制出的几种人工材料，也体现在了一种全新的思维方法。为新型功能材料的设计提供了一个广阔的空间。 理论分析 首先来看一下负折射率材料的概念，负折射率材料也称为左手材料（left handed medium ），简写为LHM （这一命名原由将在后面给予证明）。指的是介电 常数ε、磁导率μ、折射率n 同时为负的介质。【5】 麦克斯韦方程组在物理领域有着至高无上的地位，主要是由于麦克斯韦方程组适用广泛，所以这里我们也从麦克斯韦方程组开始着手。 电磁波尸油谐振的电场和磁场组成。各向异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，有 (1)E D ε= 式中ε是比例系数，成为介电常数。 对于各项同性非铁磁性物质，磁感应强度矢量与磁场强度矢量方向保持一致，大小成正比，有 (2)H B μ= 式中μ成为磁导率。 再加上， (3)E J σ= 以上三个式子被称为物质方程。 我们再来看麦克斯韦方程组的微分形式： ???????????+=????-=??=??=??)4(0t D j H t B E B D ρ 麦克斯韦方程组表明，任何随时间而变化的磁场，都是和涡旋电场一起的。任何变化的电场，都是和磁场联系在一起的。
超材料：科学与技术发展的一种新前沿 摘要：超材料指的是一些具有自然界的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，在近十年来已经成为了材料科学、物理、化学以及工程学等学科的前沿发展方向。本文对超材料的基本理论与原理、最新的进展以及未来的发展方向做了详细的介绍。首先展示了超材料的基本原理与理论以及发展历程，其次针对最新发展做了介绍，包括超透镜、隐身斗篷和光子晶体以及超材料制备等。最后，本文对超材料研究的未来发展方向与趋势作了详细讨论。 关键字：超材料负折射完美透镜光子晶体材料制造 1引言 在3000多年前，人类就掌握了制铜技术，并学会了制作较高性能的铜合金的方法。在2000多年前人们又掌握了炼铁技术。在20世纪六十年代，半导体材料飞速发展起来。人们在利用这些材料基本是在原子与分子级别。近些年来纳米技术又飞速的发展，在纳米尺寸级别人类又有很多重要的发现与发明。 超材料是一种与上面所介绍的材料都不一样的全新材料。它提供了一种可以让人们随心所欲的制造具有许多特殊物理性质的全新思路与方法。超材料的基本设计思路是以某种具有特殊功能的人工结构为基础。例如，材料中所呈现的一些物理性质往往和材料结构中的关键物理尺度有关，一个最直观的例子是晶体。晶体是自然界中物质的有序结构的一个重要形式，它的有序主要存在于原子层次，正是由于在这个尺度上的有序性调制，使晶体材料形成了一些无定型态所不具备的物理特征，上面所提到的半导体材料中最重要的单晶硅即是一种典型的晶体。由此类比，在其它层次上的有序排列则可能获得一定程度的自然界中的材料所不具备的物理性质.。因此，人们可以通过各种层次的有序结构实现对各种物理量的调制，从而获得自然界中在该层次上无序或无结构的材料所不具备的物理性质。 2 基本原理 1