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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。
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。
左手材料天线左手材料天线是一种新型的天线结构，它利用左手材料的特殊性质来实现对电磁波的辐射和接收。
左手材料是一种具有负折射率的材料，它具有一些非常奇特的电磁性质，例如负折射率、负抗性、负色散等。
利用这些特性，左手材料天线可以实现一些传统天线无法实现的功能，例如超宽带、宽角度辐射、多频段工作等。
因此，左手材料天线在通信、雷达、无线电等领域具有广阔的应用前景。
左手材料天线的工作原理是基于左手材料的负折射率特性。
在传统的天线设计中，通常使用正折射率的材料来实现对电磁波的辐射和接收。
而左手材料天线则采用具有负折射率的左手材料来实现对电磁波的控制。
当电磁波穿过左手材料时，由于其负折射率特性，电磁波的传播方向会发生反转，从而实现对电磁波的控制。
这种特性使得左手材料天线可以实现一些传统天线无法实现的功能，例如超宽带、宽角度辐射、多频段工作等。
左手材料天线具有许多优点。
首先，由于左手材料具有负折射率特性，可以实现对电磁波的精确控制，从而实现更高效的辐射和接收。
其次，左手材料天线可以实现超宽带、宽角度辐射、多频段工作等功能，具有更广泛的应用范围。
此外，左手材料天线的制作工艺相对简单，成本较低，适合大规模生产和应用。
在实际应用中，左手材料天线已经得到了广泛的研究和应用。
在通信领域，左手材料天线可以实现更高效的信号辐射和接收，提高通信质量和覆盖范围。
在雷达领域，左手材料天线可以实现更宽波束宽度和更高分辨率，提高雷达探测和跟踪性能。
在无线电领域，左手材料天线可以实现多频段工作，适应不同频率的信号传输和接收。
总之，左手材料天线是一种具有广阔应用前景的新型天线结构。
它利用左手材料的特殊性质，实现了对电磁波的精确控制，可以实现超宽带、宽角度辐射、多频段工作等功能，具有更高效的辐射和接收特性。
在通信、雷达、无线电等领域具有重要的应用价值，将为相关领域的发展带来新的机遇和挑战。
随着左手材料天线技术的不断进步和完善，相信它将在未来发挥越来越重要的作用。
超材料光学特性及其应用展望一、前言超材料是指由人工合成的材料，拥有超常的性质，常表现为负折射率、超透明、折射率和光速的改变等。
这些性质使得超材料在光学应用中具有重要的作用，被广泛地应用于光电子学、信息科学、能源科学等领域。
本文将重点探讨超材料的光学特性及其应用展望。
二、超材料的光学特性1.负折射率超材料中的电磁波传播规律与自然界中的折射规律形成了鲜明的对比。
相比于自然界中的材料，超材料中的电磁波的折射率是负的。
对于具有负折射率的材料，光波在材料中传播的过程中会做出一些与自然材料完全不同的反向弯曲行为，这种行为对于学者们而言具有很大的困惑和挑战。
2.超透明超材料还有一个特别显著的特性，就是它们可以同时是透明材料和吸收材料。
在这些材料中，光子会频繁地被吸收和辐射出来，但整体上却可以表现出一个类似于透明物体的状态。
超透明的超材料主要是通过周期性的排列结构实现的，结构的尺度远远小于光波的波长，因此能够完美地过滤掉非常窄的波长区间。
3.折射率和光速的改变超材料的另一个光学特性是可以通过控制相对介电常数和相对磁导率的值来实现对光速的控制。
这种控制效果在可见光波段中很难实现，同时涉及到的材料性质非常复杂，研究难度很大。
三、超材料的应用展望1. 光学透镜在超材料中经常采用聚焦原理，从而实现像普通透镜一样的成像效果。
超材料的透镜具有弥散性小、直径小、加工方便、造价低廉等特点，极大地拓展了透镜应用的领域。
2. 人体组织光学成像超材料的吸收特性可以被用于人体组织光学成像中，从而实现更好的成像效果，并且不会对人体组织造成伤害。
这种成像方法被称为超材料光学相干断层扫描（OCT）。
3. 热辐射与太阳能吸收研究表明，超材料可以在可见光和红外波段中减小辐射传递的热效应，从而达到优异的隔热效果。
同时在太阳能吸收上也具有巨大潜力，可解决传统能源稀缺的问题。
四、结论总之，超材料体系是科学家们发掘和运用新颖物理的重要领域。
它具有独特的物理效应、优异的性能及广泛的应用前景。
负折射率材料的基础研究随着科技的不断进步，新型材料的研究与发展日新月异。
其中，负折射率材料作为一种具有特殊光学性质的材料，引起了科研人员和工程师们的广泛。
负折射率材料在光子学、液晶显示、声学等领域具有广泛的应用前景，为现代科技的发展带来了许多新的可能性。
然而，由于负折射率材料的特殊性质，仍存在许多挑战和问题需要解决。
本文将对负折射率材料的基本原理、应用场景、制备方法及其未来发展方向进行详细阐述。
负折射率材料是一种具有特殊光学性质的材料，其介电常数和磁导率均为负值。
这种材料的发现与研究，突破了传统光学理论的限制，为光学领域的发展带来了新的机遇。
实验研究和理论分析表明，负折射率材料的电磁波传播特性与常规材料截然不同。
在负折射率材料中，电磁波的传播速度会降低，且传播方向会发生反转。
这种奇特的现象，使得负折射率材料在光子学、声学等领域具有广泛的应用前景。
光子学应用在光子学领域，负折射率材料的应用具有重要意义。
由于该材料中电磁波传播特性的改变，使得光的传播行为发生变化。
例如，利用负折射率材料制造的透镜，可以实现常规透镜无法完成的成像效果，为光子学的发展带来了新的突破。
负折射率材料还可以应用于光子晶体、光子集成电路等领域，提高光子设备的性能和集成度。
液晶显示是一种广泛使用的显示技术，具有低功耗、重量轻、体积小等优点。
将负折射率材料应用于液晶显示中，可以显著提高显示效果。
利用负折射率材料的逆斯涅尔效应，可以实现图像的清晰度和对比度的提高，同时降低反射光的影响，提高液晶显示的视觉效果。
正文3：负折射率材料的制备方法、工艺和生产流程负折射率材料的制备方法主要有纳米制备技术、化学合成和生物制备等。
纳米制备技术包括纳米颗粒制备、纳米纤维制备等，通过控制纳米结构的尺寸和分布，可以得到具有负折射率的纳米材料。
化学合成是通过化学反应合成具有负折射率性质的材料，例如金属有机框架材料等。
生物制备则是利用生物分子的自组装和生物矿化等方法，制备具有特定光学性质的生物复合材料。
电磁超材料的研究与应用随着科技的不断发展，人们对于材料的研究也越来越深入。
电磁超材料就是近年来备受瞩目的一种新型材料。
电磁超材料的研究与应用不断推进着人类科技的前进步伐。
电磁超材料是一种特殊的材料，其特点是具有负折射率、负介电常数或负磁导率等特性。
在这种材料中，电磁波可以以一种完全不同于常规材料的方式传播。
其具有反常的传输特性和无限小散射特性，这让人们看到了电磁光学在几何光学之外的另一种可能。
电磁超材料的研究始于20世纪90年代，当时美国D.R. Smith 重构了Bonnet原始的类负折射材料结构，成功的制备了第一代电磁超材料。
之后，又有一系列的研究开展，制备出多种电磁超材料，包括金属结构、负折射率材料、金属-绝缘体多层结构、透明导电材料等。
因为电磁超材料特有的特性，它在科技领域中被广泛应用。
电磁超材料可以被用来制造新型的吸波材料、新型的光学器件、新型传感器、新型超材料元器件等。
目前，电磁超材料已经成功应用于红外探测器、太阳能电池、雷达系统、天线等领域，迅速带动了科技进步的步伐。
例如，电磁超材料可以被应用于红外探测器的升级换代。
红外波段是是一种特殊的频带范围，因为其波长长短，穿透力强，所以在现代军事攻防中被广泛应用。
然而，由于现有的红外探测器对于红外辐射的探测能力有限，存在探测距离短和探测精度不高等问题。
而电磁超材料可以在红外波段中形成超常的光学效应，改善了探测器对于红外辐射的响应，可在红外探测器中发挥重要作用。
此外，电磁超材料也可以被用来制造新型的太阳能电池。
太阳能电池是目前被广泛应用的清洁能源电池，但是由于其能效有限，不利于太阳能的广泛应用。
利用电磁超材料制造的太阳能电池，可以用更低的成本生产出更高效率的太阳能电池，从而大大降低了太阳能成本。
总的来说，电磁超材料是一种新型的功能材料，具有非常好的应用前景。
电磁超材料的研究目前还在不断推进中，未来还会有更多的应用出现。
我们期待着这种材料可以在未来的科技领域中，为人们创造更多更高端的产品，带来质的飞跃。
超材料在隐身技术领域的应用目录编者按 (1)1.超材料介绍 (1)2.超材料的隐身技术应用优势 (3)3.超材料的隐身技术军事应用进展 (4)4.超材料的隐身技术军事应用前景 (5)编者按超材料具备常规材料所不具备的超常物理性能，能够实现对光波、电磁波、声波的操控，由此带来武器装备性能的提升和设计自由度的拓展。
近年来，超材料在隐身技术领域的应用成果不断涌现。
作为提高武器系统生存与突防尤其是纵深打击能力的有效手段，超材料已成为立体化战争中最有效的突防技术手段。
1.超材料介绍超材料又名超颖材料，是指具有人工设计的结构、呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的复合材料，介于宏观与微观之间的介观微结构是超材料的基本组成单元。
它通过复杂的人造微结构设计与加工，实现了人造“原子”及其组合，可以改变原有材料对电磁场的响应。
超材料技术是一个跨学科领域，涉及电子工程、凝聚态物理、微波、光电子学、材料科学、半导体科学以及纳米技术等，其设计思想和方法成为发掘材料新功能、引领产业新方向、提高材料综合性能的重要手段，是继高分子材料、纳米材料之后新材料领域又一重大突破。
超材料是一个热门研究课题，尤其在涉及现代天线结构的领域更是如此。
今天我们就一起来认识一下。
超材料的简介超材料CmetamateriaD,其中拉丁语词根表示“超出、另类”等含义，因此一般文献中给出超材料的定义是“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。
”指的是一些具有人工设计的结构并呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的复合材料。
简而言之，超材料是指能够实现自然界中未知特性的材料和结构的组合，是21世纪以来出现的一类新材料，其具备天然材料所不具备的特殊性质，而且这些性质主要来自人工的特殊结构。
超材料的设计思想是新颖的，这一思想的基础是通过在多种物理结构上的设计来突破某些表观自然规律的限制，从而获得超常的材料功能。
超材料的设计思想昭示人们可以在不违背基本的物理学规律的前提下，人工获得与自然界中的物质具有迥然不同的超常物理性质的“新物质”，把功能材料的设计和开发带入一个崭新的天地。
负单轴晶体介绍负单轴晶体是一种特殊的晶体结构，具有一些独特的光学性质。
本文将详细介绍什么是负单轴晶体、其特点以及应用领域等。
负单轴晶体的定义负单轴晶体是一种具有负折射率的晶体。
简单来说，它们是一种在特定条件下，电磁波能量以交叉的方式传播的晶体。
与正常情况下传播的电磁波相比，负单轴晶体中的电磁波具有逆向的相速度。
负单轴晶体的特点1.负折射率：负单轴晶体具有负折射率，即电磁波在晶体中传播时，光线的传播方向与晶体中心轴的方向相反。
2.布拉格反射：负单轴晶体结构可以实现布拉格反射，使得一部分入射光被完全反射回来。
3.多功能性：负单轴晶体在不同频率范围内的反射特性可以通过改变晶体结构来调节，因此具有较大的自由度。
负单轴晶体的应用1.光学隐身技术：负单轴晶体可以用于光学隐身技术，因为它们可以使得入射光以一种逆向的方式反射回来，从而减小物体的可见性。
2.功能光学材料：负单轴晶体在光学器件中可以作为功能材料，用于调节光的传播和反射特性，例如用于制作光学透镜、光学延迟器等。
3.通信技术：负单轴晶体可以改变电磁波在传输线中的传播特性，因此可以用于改善通信信号的传输质量和性能。
4.光子集成电路：负单轴晶体可以作为光子集成电路中的材料，用于实现光学器件的调控，例如可调谐滤波器、光开关等。
负单轴晶体的制备方法1.气相沉积法：通过化学气相沉积或物理气相沉积的方法，在合适的底座上沉积负单轴晶体材料。
2.液相生长法：通过在合适的溶液中加入适当的原料，利用溶液的浓度、温度等条件，使负单轴晶体材料在底座上生长。
3.激光沉积法：利用激光的能量，将负单轴晶体材料从薄膜源中蒸发，然后在底座上沉积。
负单轴晶体的展望随着科学技术的不断发展，负单轴晶体在光学领域的应用将会得到更广泛的拓展。
未来可能会出现更多新型的负单轴晶体材料和制备方法，使其在光学器件和通信领域的应用更加多样化和高效化。
结论负单轴晶体是一种具有负折射率的特殊晶体结构。
它们具有一些独特的光学性质，应用领域广泛，如光学隐身技术、功能光学材料、通信技术和光子集成电路等。
inas负折射率材料（也称为负折射率介质或负折射率材料）是一种特殊的电磁介质，其介电常数和磁导率同时为负值。
这种材料的特性与常规介质（介电常数和磁导率同时为正值）完全不同，因此可以用于实现一些非常规的物理现象和功能。
负折射率材料的研究始于20世纪60年代，但直到近年来才受到广泛关注。
其独特的物理性质在许多领域都有潜在的应用价值，如电磁波的调控、隐身技术、超透镜、完美吸收器等。
负折射率材料可以通过多种途径实现，包括结构设计、复合材料、人工电磁材料等。
其中，结构设计是指通过在材料中设计特殊的结构或单元，使其表现出负折射率的性质。
复合材料是指通过将两种或多种材料组合在一起，利用它们之间的相互作用和协同效应，实现负折射率性质。
人工电磁材料则是指通过在材料中引入人工设计的单元或结构，使其表现出特殊的电磁性质。
负折射率材料的研究目前仍处于不断发展和完善的过程中。
虽然已经取得了一些重要的进展和应用，但仍有许多问题需要解决和探索，如材料的稳定性、可加工性和可集成性等。
超材料的发展及国内外研究现状目前，国际上学者将由人工设计的、具有特异电磁性质的结构安排制备形成的材料统称为超材料(metamaterial)。
近年来人们对这种超材料特别感兴趣，原因在于这种超材料结构的周期长度远小于电磁波波长，有利于器件的小型化和集成化，这是普通的光子晶体无法比拟的。
超材料有单负材料(single-negative materials：SNG)和双负材料(double．negative materials：DNG)两种。
把介电常数和磁导率均为负的材料称之为DNG，即左手材料(1eft．handed materials：LHMs)；把介电常数和磁导率仅有一者为负的材料称之为SNG。
相应地将同时具有正介电常数和正磁导率的材料称为双正材料(double positive materials：DPS)即右手材料(right handed materials：RHMs)。
左手材料的基本理论及国内外研究现状介电常数ε和磁导率μ是用于描述物质电磁性质的最基本的两个物理量，它们决定了电磁波在物质中的传播特性。
对一般电介质而言，介电常数ε和磁导率μ都是非负的常数。
由Maxwell方程组可知，在ε和μ都为正值的物质中，入射电磁波的电场、磁场和波矢(相位传播方向)三者构成右手关系，这样的物质被称为RHMs。
迄今为止在自然界见到的都是RHMs。
然而，前苏联物理学家Veselago[1]在1968年提出，当ε和μ同时为负值时，Maxwell方程依然成立，电磁波仍然可以在这种“双负材料”中传播。
由于在这种材料中电场强度、磁场强度与波矢之间构成左手关系，故Veselago称这种材料为左手材料(LHMs)同时也称双负材料(DNG)。
LHMs有时也被称为负折射率材料(negative inedex ofrefraction materials：NIR materials)。
由于这种材料的介电常数和磁导率都是负数，折射率也是负的，电磁学理论与后来的实验结果都证实它有很多奇异的特性，比如负折射效应、完美透镜效应[2]、逆切伦柯夫辐射效应、反多普勒效应[3]等。
超材料的制备及性能研究前言超材料是一种具有多种功能的新型材料，受到了广泛的关注和研究。
其可以实现多种电磁波的控制，可以制成各种形状，应用领域广泛。
本文将介绍超材料的制备及性能研究。
一、超材料的定义及原理超材料是一种具有负折射率的材料，其可以通过微结构中的超材料单元单元相互作用来实现对电磁波的控制。
超材料的原理是从能带结构和电磁场的反相干涉效应出发：通过设计超材料的单元结构可以得到负电磁常数和负磁导率，从而实现负折射率（negative refraction index）。
这一特性在光学器件、成像、天线、隐身等方面有广泛应用。
二、超材料的制备方法超材料的制备方法包括顶点法、TEM（透射电子显微镜）法、光学法、电镀法、纳米球技术等。
其中，电镀法在制备超材料方面已经得到了很好的应用，其优点是制备精度高、易于控制，且制备时间较短。
该方法一般是用PECVD技术在聚合物基底上沉积金属或金属氧化物薄膜得到制作超材料。
然后使用光刻工艺将薄膜制成所需的结构。
这种方法制备的超材料制备周期短且制备过程易于控制，因此被广泛应用。
三、超材料的性能研究超材料的性能研究可以从以下几个方面进行：1.透射特性研究根据超材料单元的组合方式和纳米结构参数，可以实现负折射、正折射或双折射，而透射率取决于超材料的结构参数和单位尺寸。
研究透射方向和波导结构影响对材料性质的影响。
近年来，科学家们通过调节超材料的结构参数和缝隙尺寸等研究获得了一系列符合要求的透射特性。
2.光谱性能研究超材料的光学性能研究是评估超材料的重要方法。
超材料可以实现光谱选择性过滤器和宽带吸收器的功能。
实验研究表明，通过特定的超材料结构和制备方法，可以得到波长范围从红外光到紫外光的全光谱特性超材料。
3.激光性能研究超材料在激光成像、维纳滤波、隐身技术、激光成型等领域具有较好的性能。
在研究超材料的激光特性方面，需要充分考虑超材料的倒数折射率和倒数磁感应率。
将超材料应用于激光器上，可以制造出高功率、高效率、小尺寸的激光器和激光器阵列。
超材料的应用与发展随着科技的不断进步和新材料的不断涌现，超材料作为一种创新性材料，在科技领域里备受重视。
超材料是指由人工构造的规则结构，可以在某些方面超过传统材料的性能，并具有特定的表征。
它结构先进、性能卓越、功能多样，具有电磁、声学、热学、光学等多种特殊性质，被广泛地应用于通信技术、能源工程、生命科学、医学、军事等领域。
本文将从超材料的定义、类别、应用以及发展等方面进行详细介绍，以期更好地认识和了解该材料，为今后超材料的发展提供帮助。
一、超材料的定义超材料（metamaterials）是由人工设计和制造，具有某种超越“自然材料”的性质的人工材料，是一种特殊的功能材料，具有超常的负折射率、纳米结构、非谐振和多频带等特性。
它们在电磁、声学、热学、光学等性质上表现出超常的效应，可以用于实现传统材料无法实现的各种功能。
二、超材料的类别根据不同的材料特性和应用，超材料可分为四大类，分别为电磁超材料、声波超材料、热学超材料和光学超材料。
1. 电磁超材料电磁超材料是由大量超小粒子组成的高度集成的材料，具有折射率和介电常数等物理性质与真实的物质有所不同。
典型的电磁超材料包括：负折射率介质超材料、介电介质超材料、磁性超材料、金属电磁超材料等。
2. 声波超材料声波超材料是一种利用人造及自然材料实现声波负波数的结构材料。
它是由大量超小粒子组成的高度集成的材料，能够引导和放大声波。
典型的声波超材料包括：膜式声波超材料、声子晶体超材料、声场超材料等。
3. 热学超材料热学超材料是一种具有特殊热物性的材料，具有优异的导热、隔热、温度控制等性质，可用于节能、环保等领域。
典型的热学超材料包括：热阻材料超材料、热导材料超材料、热扩散材料超材料等。
4. 光学超材料光学超材料是一种具有特殊光学性质的人造材料，具有折射率与真实物质不同、光学共振、吸收等特性，使光具有难以想象的自旋、自旋-轨道耦合、动量等行为。
典型的光学超材料包括：负折射材料超材料、超透镜超材料、超曲面材料超材料等。
3负折射材料的应用3. 1倏逝波的放大Pendry[ 14 ]指出:在正折射率介质中指数衰减的倏逝波进入负折射率介质后随即增长. Zhang等[ 15 ]人的研究也发现负折射率材料能极大地增强光子隧道效应. 这些理论研究都是在负折射率介质没有任何损耗的情况下提出来的. 众所周知,任何介质都不可避免地带有损耗和色散等性质, 因此,对于倏逝波在负折射率介质中的传播不能用简单的方法来研究.图4为多层平板结构示意图,该结构是一种物理模型,主要用来研究负折射率介质中,倏逝波的传播情况[ 16 ]. 其中n l , u l ( l = 1, 2, 3 , 4)表示第l层介质参数; d2 , d3 为中间两层介质的厚度;第3层为负折射率介质,即n3 < 0,μ 3 < 0;在z < 0和z > d2 + d3 的区域,材料均匀无限延伸. 然后根据麦克斯韦方程的对称性,来计算电场的传播模式:E l ( x, z) = [A l exp ( ik lz ( z - z l- 1 ) ) + B l exp ( - ik lz ( z -z l- 1 ) ) exp ( ik x x) (6)其中z0 = z1 = 0, z l = z l - 1 + d1 ( l = 2, 3) , k x 为平面波波矢在x轴方向的分量; k lz表示介质l中平面波波矢在z方向的分量. 当波为行波时, k lz = k20 n2l - k2x ;当波为倏逝波时, k lz =i k2x - k20 n2l .图4四层介质组成的传输阵列,其中第三层为负折射介质其次是放大过程分析[ 16 ] : 先考虑中间两层分别为理想的正折射率介质和负折射率介质时,倏逝波的变化规律,当n l , u l 取特定数值代入上式时,发现电场为指数衰减和指数增长的两个部分的叠加, 其变化规律由两个部分的相对强度决定. 陈龙等经过计算得出:在介质2中任何一点z的放大(即d| E2 | 2d z> 0) 或者衰减(即d| E2 | 2d z< 0) 的变化趋势由exp ( - 2β·z) 的相对大小决定;在介质3中,由exp ( -2βd3 ) 和exp ( - 2β·( z - d2 ) ) 确定. 当介质4和3阻抗匹配, 则只有单个方向的倏逝波存在,电场在正、负折射率介质层中分别以指数衰减和指数增长, 倏逝波在负折射率介质中是一个完全放大的过程. 倏逝波在负折射率介质中的放大效应, 使负折射率介质有可能应用在光子隧道效应(光耦合) 和完善透镜等方面.3. 2光子隧道效应[15, 17 ]倏逝波进入负折射介质后被放大的过程, 其实也是光子隧道效应的结果,这主要是因为在该介质中,能量的转移主要依赖于光子隧道效应. 其原理是:在两种正折射介质中增加负折射率介质,当前面两种介质之间的势能不是足够低,也就是说当势阱宽度不小于波长λ时,光束穿过前两种介质进入后一种介质时,就会发生隧道效应. 具体图示如图4,该图为四层介质组成的传输阵列, 第一层和第四层是由两种半绝缘介质组成,且两者折射率相等, 第二层是真空,第三层是由负折射介质组成, 该阵列非常成功地达到了辐射能量传输的增加. 通过采用传输矩阵方程可以很好的计算出LHM的折射率和厚度在直线和半球形传输方向上对辐射传输能量的影响量级. 图5是直线传输能量跟d3 / d2 的关系图( d3 是LHM的厚度, d2 是真空层的厚度) ,入射光(λ= d2 ) 以45°角射入. 该图主要体现了LHM的负折射率和厚度在光子隧道效应中对能量传输的影响. 图6主要研究的是四层结构的半球形传输模式跟d3 /λ的关系图, 其中T p rop , T evan 和T com 分别表示传输波、衰减波的传播以及这两种波的结合传播等. 当d3 =λ( = d2 ) ,并且n3 = - n2时,传播达成一致. 从该图可知:光子隧道效应的分布对于厚度和折射率的失谐非常敏感. 从Zhang等的系统分析中可以看出,负折射率材料可以用来制造高功效的微观能量转化装置.3. 3超透镜聚焦成像传统光学透镜已经有很久的历史,其局限性是没有哪50 咸宁学院学报第26卷© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 个透镜能够将光聚焦到一个比λ 2 还要小的范围内,所以,传统的光学透镜要受到光波长的限制. 自从负折射率材料出现以后,一些关于负折射率材料方面的应用也有所突破.如果利用该材料制作透镜,可以聚焦2D成像中的所有傅立叶成分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技术. Pendry[ 14 ]从传统光学透镜的理论推导着手,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,就得找新型材料,负折射材料自然而然成为了大家关注的对象. Pendry[ 14 ]对负折射材料的传播特性进行了严格的因果推算,得到:负折射材料确实可以增强衰减波的振幅,修复衰减波的相位,因此这种具有传播和增强衰减波性能的材料可以提高成像分辨率. 如果用负折射材料制成超透镜,那么这样的透镜就有几个重要的优点: (1)由于没有光学轴,因此不需要精确的队列. (2)平行厚板代替曲线形状,其结构更简单. (3)当给定超透镜的结构和光束的波长后,超透镜的分辨率就透镜的表面周长和光束的波长限制了, a s /λ越小,分辨率越高.光子晶体具有负折射行为,也可以用来制作超透镜. 为了模拟出这样的超透镜, Guven等采用了有限差异时间领域的模拟技术( finie2difference time2domain,简称FDTD) [ 5 ] ,该技术与平行厚板光子晶体的边界条件非常匹配. 光子晶体平行厚板的厚度跟表面周长都选择发射最小的状态. 超透镜为我们研究负折射率材料的聚焦成像提供了依据,也为今后微波透镜的发展以及克服传统透镜内在的衍射极限限制开拓了道路.4展望负折射现象向人们展示了一个新奇的光学世界,它引起了人们对负折射现象研究的热潮[ 18～20 ]以及对现有理论和现象的重新审度. 越来越多的研究表明,负折射材料具有很多潜能,譬如制造超透镜、高效微观能量转换装置以及提供高分辨的光学分辨率和高功率光耦合等. 尽管对负折射现象的理论研究已经初具规模,但是,在日常生活中负折射材料却少之又少,目前还只是停留在光子晶体以及金属合成物上,而要广泛地制作这种材料,还需要进一步的努力.__5 潜在应用从左手材料表现出的新颖电磁特性,其潜在的应用研究也逐渐提上日程。
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。
