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。

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。

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。

有关负折射率材料请不要从网上COPY那些到处都是的资料，谢谢。

1 负折射率材老一般都是什么成分，结构2 材料目前有哪些缺点3 改进的办法中国科学院网2005年7月12日报道近日，由中国科学院物理所张道中研究员领导的光子晶体研究小组与北京师范大学物理系的张向东教授合作，在负折射介质的理论和实验研究方面取得突破。

研究人员发现，十二重对称的电介质准晶光子结构也会出现负折射效应，而且在某些性能上优越于光子晶体负折射介质。

研究人员首先运用精确的多重散射方法计算了具有十二重对称性的准周期排列的三氧化二铝陶瓷圆棒构成的光子结构的透射谱，发现了光子带隙的存在。

这和周期排列的光子晶体结构十分类似。

进一步的计算发现，当频率处于带隙上头的光束通过一个直角棱镜的斜边时，发生了明显的负折射现象。

从入射角和折射角的数值，以及折射公式，可以推断出准晶光子结构的有效折射率的数值来。

研究人员随后开展了微波波段的实验测量，证实了理论预言。

在某些频率窗口，准晶光子结构的折射率可为理想值-1，而且空间色散小，接近各向同性材料。

这和十二重对称的准晶光子结构的高空间对称性是相符合的。

负折射介质的一个重要应用是透镜成像。

理论和实验均表明，所制备的准晶光子平板结构确实能够对从点光源发出的电磁波起会聚和成像作用。

而且，所成的像可在近场区域之外，像距随物距的增大而线性增大，这些特征和一个理想的折射率为-1的介质平板的折射和成像行为十分吻合，充分表明了所制备的准晶光子结构具有优良的负折射性质。

由于所用的电介质材料无吸收，可以预计，所研究的结构可以直截了当地推广到更加感兴趣的可见光和红外波段区域。

上述的结果已经发表在6月24日的Physical Review Letters 上[Vol. 94, 247402, 2005]。

目前，研究人员正在深入探索这些准晶光子结构出现负折射效应的深层次的物理根源。

据悉，近几年来，负折射介质由于其独特新颖的物理性质和诱人的应用前景而获得了国际学术界的广泛关注。

负折射率材料一、负折射率材料历史及研究现状负折射率材料(NIMs，Negative index materi—als)是指一种介电常数e 和磁导率同时为负值的材料，具有负群速度、负折射效应、逆多普勒效应、逆切仑科夫辐射、理想成像等异常的物理性质。

这种被称为负折射率材料(“左手材料”)的人工复合材料在固体物理、材料科学、光学和应用电磁学领域内开始获得愈来愈广泛的青睐，对其的研究正呈现迅速发展之势。

负折射率材料的这些异常特性，使其在固体物理、材料科学、光学和应用电磁学领域获得愈来愈广泛的青睐，世界各国对其的研究正呈现迅速发展之势。

到目前为止，负折射率材料已经在微波、太赫兹波、红外以及可见光波段被证实，并已经开始进行应用领域的研究与探索。

这种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关注。

早在1967年Veselago首先研究了这种负折射率系数材料(1eft—handed media)，他用方程证明这种材料具有负的光学折射率。

由于传统材料的折射率为正数，我们通常称这种材料为正折射率材料。

负折射率材料具有一些奇特的光学与电磁学性质，比如Doppler效应与Cherenkov辐射的逆转、交界面上的反常折射、原子自发辐射率的特殊改变等现象在负折射率材料中都会出现。

电磁波在这种材料中的传播特性与在一般材料中相比有很大的不同。

负折射率材料的出现，颠覆了～般材料中所普遍遵循的“右手规律”。

而它的出现却是源于上世纪60年代前苏联科学家的假想。

物理学中，介电常数e和磁导率p是描述均匀媒质中电磁场性质的最基本的两个物理量。

在已知的物质世界中，对于电介质而言，介电常数e和磁导率u都为正值，电场、磁场和波矢三者构成右手关系，这样的物质被称为右手材料(right-handexlmalefials，RHM)。

这种右手规则一直以来被认为是物质世界的常规，但这一常规却在上世纪60年代开始遭遇颠覆性的挑战。

1968年，前苏联物理学家Veselago在前苏联一个学术刊物上发表了一篇论文，首次报道了他在理论研究中对物质电磁学性质的新发现，即：当e和肛都为负值时，电场、磁场和波矢之间构成左手关系。

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。

负折射率材料一、负折射率材料历史及研究现状负折射率材料(NIMs，Negative index materi—als)是指一种介电常数e和磁导率同时为负值的材料，具有负群速度、负折射效应、逆多普勒效应、逆切仑科夫辐射、理想成像等异常的物理性质。

这种被称为负折射率材料(“左手材料”）的人工复合材料在固体物理、材料科学、光学和应用电磁学领域内开始获得愈来愈广泛的青睐,对其的研究正呈现迅速发展之势。

负折射率材料的这些异常特性，使其在固体物理、材料科学、光学和应用电磁学领域获得愈来愈广泛的青睐，世界各国对其的研究正呈现迅速发展之势。

到目前为止，负折射率材料已经在微波、太赫兹波、红外以及可见光波段被证实，并已经开始进行应用领域的研究与探索。

这种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关注.早在1967年Veselago首先研究了这种负折射率系数材料（1eft—handed media）,他用方程证明这种材料具有负的光学折射率。

由于传统材料的折射率为正数，我们通常称这种材料为正折射率材料.负折射率材料具有一些奇特的光学与电磁学性质,比如Doppler效应与Cherenkov辐射的逆转、交界面上的反常折射、原子自发辐射率的特殊改变等现象在负折射率材料中都会出现。

电磁波在这种材料中的传播特性与在一般材料中相比有很大的不同。

负折射率材料的出现，颠覆了～般材料中所普遍遵循的“右手规律”。

而它的出现却是源于上世纪60年代前苏联科学家的假想.物理学中,介电常数e和磁导率p是描述均匀媒质中电磁场性质的最基本的两个物理量.在已知的物质世界中，对于电介质而言，介电常数e和磁导率u都为正值,电场、磁场和波矢三者构成右手关系,这样的物质被称为右手材料（right-handexlmalefials，RHM)。

这种右手规则一直以来被认为是物质世界的常规，但这一常规却在上世纪60年代开始遭遇颠覆性的挑战。

1968年，前苏联物理学家Veselago在前苏联一个学术刊物上发表了一篇论文，首次报道了他在理论研究中对物质电磁学性质的新发现,即:当e和肛都为负值时，电场、磁场和波矢之间构成左手关系。