负折射率材料

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负折射率介质

容1、量什更么大是的负分储折存射析媒率体及，；左手证性介明质在某个频区Re[n(w)]实际上必须为负值．
前者只能工作在微波波段，而后者的工作波段可延伸到可见光和红外区域。
如果，我们μ<0,ε<0,就得到负的和，亦即负电磁能量。
对于极性分子的介质，1912年，德拜给出，
负折射效应可以说是非均匀媒质对电磁波的复杂集体响应行为的等效表观现象。
在负折射率材料中，电场、磁场和波矢方向遵守
“左手”法则，而并非常规材料中的“右手”法则。当光从具有正折射率的材料（常规材料）入射到具有正折射率材料的界面时，入射光线和折射光线分别位于法线两侧，这是我们所熟知的结果。而当光从具有正折射率的材料入射到具有负折射率材料的界面时，光的折射与常规折射相反，入射光线和折射光线处在于界面法线方向同一侧，也就是说，在这种材料中，光出现了异常传播，出现了扭曲的现象。
n 1 M Lorenz方程．2 4
n2
2
3
NAa0
对比上式， n2 r ，其应用范围仍为非极性分子
对于极性分子的介质，1912年，德拜给出，
rr12M 43NA[a03uk2T]
式中u为电偶极矩，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度．上式说明，静电场中总极化由诱导(变形)极化和取向极化两种作用组成．如分子u=0，德拜方程简化为Clausius-Mosotti方程．但如外场为交变电场，要考虑极性分子的弛豫时间的影响，这时该式改为
分析了电流源向一维左手化媒质(LHM)辐射的情况(该等效的负折射媒质电路可以有效减少器件的尺寸，拓宽频带，改善器件的性能。
可见，弛豫时间的影响是由取向极化率的改变而实现的．
媒质的介电常数和导磁率均为负)，对n(w)函数的深入负折射介质的一个重要应用是透镜成像。

负折射率材料

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。

负折射率材料

First LHM
毫米尺寸
Two concentric split-ring resonators (SRRs), which be regarded as an electronic circuit consisting of inductive and capacitive elements, were predicted to give rise to μ′ < 0.
? 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。
The LHM sample consists of square copper split ring resonators and copper wire strips on fiber glass circuit board material. The rings and wires are on opposite sides of the boards.
、、Euv 始Huv终Sv构成右手螺旋关系。
因此在左手材料中，（它的方向kv 代表电磁波相速的
方向）和的方向相Sv反。
为负n 数? ，c 所? 以ck 这种
Hale Waihona Puke v?介质也被称为“负折射率物质” （Negative Index
Materials, NIM)
左手材料中，电磁波的相速度和群速度方向相反。
主要内容
? 什么是负折射率材料 ? 负折射率材料的研究与进展
? 微波波段的负折射率材料的研究进展 ? 光波波段的负折射率材料的研究进展 ? 负折射率材料中短脉冲的研究进展
什么是负折射率材料
在经典电动力学中，介质的电磁性质可以用

负折射率光子晶体1

a
a
•图5(a)一(d)给出了当n=5,na=-1.5，nb=1.46，固定ʌ，改变d，使d/ ʌ分别为0.58、0.78、 0.88、0.92时三角形结构的带隙图。从图5(a) 一(d)可以看出，随d/ ʌ值的增大，传播线保持不变。带隙数量和宽度在d/ ʌ =0.88时达到最大，与传播线βʌ = nak ʌ的交叠部分也最多。因此合理选择负正介质比d/ʌ对带隙效应导光具有重要作用。
• 3. Ω结构 • Smith结构和对称环结构损耗很大，浙江大学专门研究左手材料的科研人员发现Q形状的金属细线能够同时产生小于零的磁导率和小于零的介电常数，并理论上构造出Q结构左手材料。
• 4. S型材料 • 陈红胜等人通过改变SRR结构的形状，发明了新的S型谐振结构，它的磁导率的小于0 频段和等效介电常数的小于0频段能够相对宽松重叠，只利用S型谐振器就组成了负折射率材料。
不同ε和μ下的材料。
负折射率材料的分类
• 1. Smith结构 • Smith等人将SRR(Split-Ring Resonator)结构和 Rod结构相结合，构造出了一维负折射率材料。一维表示一个方向的电场和磁场相互作用，波矢就只能是朝一个方向。
负折射率材料的分类
• 2.对称环结构 • T．M．Gregorczyk等人在先人研究的基础上提出并构造了对称环结构左手材料。其结构单元是两个相同尺寸的开路环相称的放置在x，y，z，3个方向上的空间坐标轴上。周期单元都包含2个环结构和1个ROD结构，对称环左手材料在8．2GHz-8．7GHz之间的频率段，折射率为负值，中心频点在 8．5GHz左右。研究出的对称环结构比 Smith结构左手材料更能克服金属开路环的
• 图4(a)一(d)给出了当n=5，nb=1.46， d/ʌ=0.76，na分别为-0.79、-1.0、-1.5、-2.4 时三角形结构的带隙图。横坐标是归—化传播常数βʌ ，纵坐 • 标是归—化频率(- kʌ)，传播线为βʌ = nak ʌ 。 n 随 • 值的增大，传播线和带隙总体向右下角移动。带隙趋于平坦，宽度从窄到宽再窄，与传播线 βʌ = nak ʌ的交叠部分也由少到多再 n 少。因此过大过小对负折射的光子晶体光纤导光都是不利的，需根据情况选择合适的值。

左手材料-负折射率材料

新型人工原子和分子
借鉴自然界中的原子和分子结构，设计新型的人工原子和分子结构，以实现更高级的左手材料功能。
多物理场调控材料
探索在电磁场、温度场、压力场等多物理场作用下，左手材料的性能变化和调控机制，为新材料的研发提供理论支持。
技术创新与应用拓展
高效制备技术
研发新型的制备技术，实现左手材料的快速、低成本、大规模制备，以满足市场需求。
引领科技革命
左手材料在通信、能源等领域的应用前景广阔，有望引领新一轮的科技革命。
促进交叉学科发展
左手材料涉及物理学、化学、生物学等多个学科领域，其研究将促进交叉学科的发展和融合。
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05 左手材料面临的挑战与解决方案
材料稳定性问题
总结词
左手材料的稳定性问题是限制其应用的关键因素之一。
详细描述
左手材料在外部环境变化下容易发生结构变化和性能衰退，这会影响其负折射率的稳定性和可靠性。
制备成本问题
总结词
高昂的制备成本是阻碍左手材料广泛应用的重要因素。
VS
详细描述
目前，左手材料的制备通常需要复杂的实验设备和精细的工艺控制，这导致了较高的制造成本。降低制备成本是推动左手材料普及的关键。
应用领域
微波器件
利用左手材料的特殊性质，可以设计出性能优异的新型微波
器件，如滤波器、天线等。
光学领域
左手材料在光学领域的应用前景广阔，如光子晶体、光学隐身等。
军事领域
由于左手材料具有反向的 Doppler效应等特性，可以应用于军事雷达和隐身技术。
生物医学
左手材料在生物医学领域也有潜在的应用价值，如医学成像

超材料与负折射材料的研究与应用

超材料与负折射材料的研究与应用近年来，超材料和负折射材料的研究与应用在光学领域取得了重大的突破与进展。

它们的出现不仅深刻地影响了光学设计的理论基础，也为光学元件的开发和应用提供了无限可能。

一、超材料的研究与应用超材料是一种人工构造的材料，其具有非常特殊的光学性质。

超材料的结构特点是由微观结构单元组成，这些单元的尺寸远小于照射波长。

超材料的出现使得我们可以自由地调控电磁波的行为，例如对光的折射率和色散关系进行精确设计。

这种能力为我们打开了设计和制造优化光学器件的新途径。

1.1 超材料的原理和分类超材料的原理基于人工构造的亚波长级别的等效介质。

通过精确设计结构的尺度和形状，我们可以有效地改变电磁波在超材料中的传播行为。

根据其结构和工作原理的不同，超材料可以分为负折射材料、超透镜、颜色滤波器等多个分类。

1.2 超材料在光学领域的应用超材料在光学领域的应用非常广泛。

其中，超透镜是一种利用超材料的特殊性质实现超分辨成像的设备。

与传统光学系统相比，超透镜的分辨率更高，可以突破传统光学系统的衍射极限。

此外，超材料还可以应用于红外光学、光场调控等方面，为实现更高效的光学效果提供了新的可能性。

二、负折射材料的研究与应用负折射材料是指其折射率为负值的材料。

与常规材料相比，负折射材料具有独特的光学性质。

通过合理设计负折射材料的结构，可以实现逆向传播的光线，即折射方向与入射方向相反。

这为我们提供了控制光的传播方向和聚焦能力的新思路。

2.1 负折射材料的特性负折射材料的特性体现在其折射率小于零的范围内。

负折射材料的出现打破了折射定律的限制，为光学设计和信息传输提供了全新的可能性。

通过利用负折射材料，我们可以实现超分辨成像、聚焦微观物体和超导波等重要应用。

2.2 负折射材料的应用负折射材料在光学通信、光医学和光子集成等领域有着广泛的应用前景。

例如，负折射材料可以用于实现超高分辨率的显微镜，其成像分辨率远超过传统显微镜的极限，可以观察到更小尺寸的微观结构。

功能材料(负折射率材料)

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。

《负折射率介质》课件

《负折射率介质》PPT课件
欢迎来到《负折射率介质》PPT课件！在本课程中，我们将深入探讨负折射率介质的定义，特点，应用，制备方法，光学器件中的应用以及未来发展。准备好迎接新的知识吧！射率（refractive index）的材料。在这样的材料中，光线会以非常奇特的方式传播，这种特性是独特而引人注目的。
负折射率介质的特点
1 反常折射
负折射率介质可以使光线在进入介质时发生反常折射，从而改变传统光学规律。
2 逆向传播
负折射率介质中的光线能够逆向传播，即光线可以像倒放的影像一样反向传播。
3 折射率与波长无关
负折射率介质的物理特性使其折射率与入射光的波长无关，这在光学器件中有着重要的应用价值。
纳米加工技术
2
率结构。
利用纳米加工技术精确控制介质的结构
和性质。
3
成核与生长
利用成核和生长过程形成负折射率介质。
负折射率介质在光学器件中的应用
透镜
光纤传输
负折射率介质可以用于制造透镜，提高光学器件的性能和清晰度。
负折射率介质可以用于改善光纤传输的效率和信号质量。
光子晶体
负折射率介质的特性可以应用于光子晶体的设计和制备，提高光学器件的性能。
负折射率介质的应用
光学隐形衣
负折射率介质的特性可以应用于光学隐形衣的制作，实现隐藏物体的目的。
超透镜
负折射率介质可以用于制造超透镜，使其能够实现超分辨率成像。
光波导
负折射率介质在光通信领域有着广泛的应用，可以用于光波导的制备和信号传输。
负折射率介质的制备方法
1
自组装技术
通过将材料在溶液中自组装形成负折射
负折射率介质的未来发展

负折射率材料

负折射率材料超颖材料（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。

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”。

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1996, 76: 4773~4776.[3] J. B. Pendry, A. J. Holden, D. J. Robbins, and W. J. Stewart, Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., 1999, 47(11): 2075~2084.2001年Shelby等人将调介电常数和调磁导率的结构融合在一起，实验上证实了负折射率的存在。

neg玻璃折射率

neg玻璃折射率1. 引言光学是研究光的传播和相互作用的科学领域，而折射率是光在介质中传播时的一个基本参数。

折射率描述了光在不同介质中传播时的速度变化情况，是光学研究中一个重要的物理量。

玻璃作为常见的光学材料之一，其折射率对于许多应用具有重要意义。

在实际应用中，有时我们需要调控玻璃的折射率以满足特定需求。

其中，neg玻璃就是一种具有负折射率特性的材料。

本文将详细介绍neg玻璃折射率相关内容。

2. neg玻璃简介neg玻璃（Negative Index Glass）是一种特殊材料，其具有负折射率特性。

正常情况下，当光从一个介质进入另一个介质时，由于两个介质中光速度的不同而发生折射现象。

然而，在neg玻璃中，当光从空气等正常材料进入neg玻璃时，它会出现与常规材料相反的折射现象，即向与法线相反的方向弯曲。

neg玻璃的负折射率特性使得它在光学器件设计、超材料制备等方面具有广泛应用前景。

通过控制neg玻璃材料的组成和结构，可以调节其折射率，进而实现对光的传播和操控。

3. neg玻璃折射率的影响因素neg玻璃的折射率受多个因素影响，下面将介绍其中几个主要因素：3.1 材料成分neg玻璃的折射率与其成分有着密切关系。

通过调节不同元素或化合物在材料中的含量比例，可以改变neg玻璃的折射率。

例如，在氧化硼基负折射率材料中，通过改变硼含量可以实现对折射率的调控。

3.2 结构参数材料中微观结构参数也会对neg玻璃的折射率产生影响。

例如，在具有周期性孔隙结构的负折射率材料中，孔隙大小和排列方式会直接影响其整体折射率。

3.3 外界条件温度、压力等外界条件也会对neg玻璃的折射率产生影响。

在一些特殊应用中，需要考虑neg玻璃在不同温度或压力下的折射率变化情况。

4. neg玻璃折射率的测量方法测量neg玻璃的折射率是研究和应用该材料的重要手段之一。

下面将介绍几种常见的测量方法：4.1 光束偏转法光束偏转法是最常用的测量折射率的方法之一。

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左手材料中，电磁波的相速度和群速度方向相反。
波长(λ) 和波矢 (k)
k1 = 2π/λ1
1
1
sp eed
sp eed
c n1
1
2
2
c n2
2
k2 = 2π/λ2
c = light velocity in vacuum n1,2 = refractive indices
相速度和群速度

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。
The LHM sample consists of square copper split ring resonators and copper wire strips on fiber glass circuit board material. The rings and wires are on opposite sides of the boards.

Metamaterials, LHM)
k H E
k E H
E
k S H k
E
S H
> 0, > 0 (Right-handed)
< 0, < 0 (Left-handed)
左手材料又称为负折射率物质由于电磁波能流的方向取决于玻印廷矢量S的方
____ is for the LHM data. ………… is for the regions where the index is expected to be either outside our limit of detection (|n|>3) or could not be reliably determined experimentally. ____ is the real component ……. is the imaginary component of the theoretical expression for the refractive index

2000年，美国加州大学圣迭戈分校Smith等人将金属丝板
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。
Two concentric split-ring resonators (SRRs), which be regarded as an electronic circuit consisting of inductive and capacitive elements, were predicted to give rise to μ′ < 0.
为：
2 ▽ Ek E 0 2 2 ▽ Bk B 0
2
（1）
其中
k
2
r 0 r 0
2 2
自然界中,物质的μ和ε一般都与电磁波频率有关，并且在大多数情况下都为正数，此时方程(1) 有波动解，电磁波能在其中传播。对于无损耗、各向同性、空间均匀的介质，由Maxwell方程组能推出
S
侦测器
光源 k v
S
左手材料中侦测器
光源 k v
反常的切伦柯夫（Cerenkov）效应和光压

在 Cerenkov 辐射效应中，当一个粒子在介质中
以速度 v 沿一直线运动，其辐射出的场会遵循
的形式，波向量 k (k=kz/cosq) 的方向会主要
顺着v的方向，但 kr 方向分量则在一般介质与
Parazzoli C. G. ,Greegor R. B. ,et al , Phys. Rev. Lett. 90,107401 (2003)
Optical negative-index materials
There are several approaches to obtaining NIMs, such as photonic crystals, transmission lines and their optical analogues. Index for optical frequencies has only been achieved by the approach of magnetically active media. For naturally occurring materials at optical frequencies, the magnetic permeability μ is close to its free space value(μ=1). This is because the magnetic-field component of light couples to atoms much more weakly than the electric component. As a magnetic response is a precursor for negative refraction, it is of critical importance to address the fundamental problem above by engineering optical magnetism.
Smith D.R. ,Willie J. ,et al. , Phys. Rev. Lett. 84 ,4184 (2000)
The upper curve (solid line) is that of the SRR array with lattice parameter a 8.0 mm. By adding wires uniformly between split rings, a passband occurs where μand ε are both negative (dashed curve).
主要内容
什么是负折射率材料负折射率材料的研究与进展
微波波段的负折射率材料的研究进展
光波波段的负折射率材料的研究进展负折射率材料中短脉冲的研究进展
什么是负折射率材料
在经典电动力学中，介质的电磁性质可以
用介电常数ε和磁导率μ两个宏观参数来描述。
正弦时变电磁场的波动方程（Helmholtz方程）
左手材料中恰好会完全相反。

电磁辐射对反射体造成的光压，在左手材料的环境之中形成对反射体的拉曳力，而不是如在一般介质中的压力。
S k
r
k k k
z
反射体
v
(a)
(b) 光源 S
2k k
2k
k
r
S k
r
S
k
左手介質中 k
z

左手材料中
S
反射體反射体
v 光源

光源
S
2k k
2k
k
S
k
r
左手材料中
Shelby R. ,Smith D.R. ,et al ,Science 292,77(2001)

2003年，Parazzoli等人在实验和数值模拟上进一步验证了NIM中的Snell定律，为左手物质是否真实存在的争论暂时划下了一个句点。
Measured angular profile of the normalized electric field amplitude Ez, at a constant frequency f= 12.6 GHz for detector distances of 33 and 66 cm from the Teflon and 901 HWD NIM wedges.
PERFECT LENS
Pendry et al. J Phys. Cond. Matter 15 6345 (2003)
反常的Doppler效应
若光源发出频率 w0 的光，而侦测器以速度v接近光源时，
在一般介质之中侦测器所接收到的电磁波频率将比 w0高，
而在左手材料中，则会收到比w0低的频率。
k E 0
可见， E
k E H
k H E
k H 0
、 H
、 k
之间满足右手螺旋关系。
通常的介质就被称为“右手材料” (RightHanded Materials, RHM)
E1
n 2 siቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 2
H1

1
( 1 >0, 1 >0 )
v kk
H2
v S

(2>0, 2>0) ( 2 <0, 2 <0 )
2
左手材料
(b)
左手材料
v E2
E
2
S
右手材料左手材料
左手材料
(a)
(c)
(a) 入射光在经过一般介质与左手材料接口时，折射光偏折方向会与入射光在法线的同一边。 (b) 以左手材料为材质制作的凸透镜或凹透镜，分别会表现出散光或聚光效果。 (c) 平板状的左手材料，会有类似一般凸透镜的聚光效果。
v
p

k
(phase)
v
g

k
(group)
THE RED ARROWS MUST BE EQUAL
1
v p1 c
k
2

c
2 2

n1
k
c
2

v p2
c n2
n

Normal Refraction
Negative Refraction

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负折射率介质

负折射率材料

负折射率材料

负折射率光子晶体1

左手材料-负折射率材料

超材料与负折射材料的研究与应用

功能材料(负折射率材料)

《负折射率介质》课件

负折射率材料

neg玻璃折射率

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