NIM(负折射率材料)专题研究

负折射率材料的研究概述及其应用进展随着人们对负折射率材料的研究逐步深入，对其在日常生活中应用的探索也逐渐加深，使其物理特性得到了优化。

文章对负折射率材料的发展历史和其基本原理进行了简要介绍，同时介绍了负折射率材料在各个领域的应用。

最后总结认为设计并制作出符合应用条件的实际负折射率材料，从而在可见光波段实现负折射率是未来手性负折射率材料的重要发展方向之一。

标签：负折射率材料；负折射；左手材料Abstract：With the further study of negative refractive index materials，the application of negative refractive index materials in daily life has been gradually deepened，and its physical properties have been optimized. In this paper，the development history and basic principle of negative refractive index materials are briefly introduced. At the same time，the applications of negative refractive index materials in various fields are introduced. Finally，it is concluded that it is one of the important development directions of chiral negative refractive index materials in the future to design and fabricate the actual negative refractive index materials in accordance with the application conditions，so as to realize the negative refractive index in the visible light band.Keywords：negative refractive index material；negative refraction；left-handed material1 概述負折射率材料是在某一频段下折射率为负的新型超材料，其最早是作为一种理论假设被人所提出的。

负折射材料实验验证的研究进展作者：杨洋李娇来源：《硅谷》2011年第13期摘要：负折射材料已成为近几年来物理学，材料科学，电子科学等交叉学科领域的研究热点。

首先介绍负折射材料的基本原理，并详细介绍近年来这类材料的仿真与实验研究。

关键词：负折射材料；负介电常数；负磁导率中图分类号：O441 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0710026－020 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[1]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。

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[2]，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[3]。

2000年美国的D.Smith等人[4]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。

1 负折射材料的基本原理在经典电动力学中，各向同性均匀自由空间介质中，麦克斯韦方程组为：正弦时变电磁波波动Helmholtz方程为：其中，n为折射率；c为真空中光速。

和一般与电磁波频率有关，在不计能量损耗正常的情况下n、、均为正。

Helmholtz方程有波动解，由麦克斯韦方程推出平面电磁波关系：并且有如下关系：电磁波为横波，电矢量E、磁矢量H和传播方向矢量K相互垂直，满足右手螺旋关系。

如果电介质的介电常数或磁导率中的其中一个为负数，K无实数解；Helmholtz方程无波动解，说明电磁波不能在中传播。

而当电常数与磁导率都小于零时，Helmholtz方程有波动解，电磁波能在其中传播。

负折射率材料研究报告学号：08221033 陈法伟一、折射的理论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，001με=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1，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 故有,sin ,sin 2211t v CB CE t v CB AB ====θθ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。

这个比值被称为折射率，用n 表示，1122μεμε=n ，如0101,μμεε==，（介质1为真0,0222222=∂∂-∇=∂∂-∇t H H t E E εμεμ1211222121sin sin n n v v ===μεμεθθ空），μμεε==22,，，则有r r vc n με==。

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rr cv 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，001με=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。

0,0222222=∂∂-∇=∂∂-∇t H H t E E εμεμ1211222121sin sin n n v v ===μεμεθθ这个比值被称为折射率，用n 表示，1122μεμε=n ，如0101,μμεε==，（介质1为真空），μμεε==22,，，则有r r vcn με==。

光机电信息Ｄｅｃ．２００７展开，宽度可达２１英尺（６．５ｍ）。

（Ｎｏ．４２）美科学家演示光信号与ＭＥＭＳ的交互作用美国马萨诸塞州科技学院（Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ）与科内尔大学（Ｉｔｈａｃａ，ＮＹ）的研究人员都演示了利用光信号控制机械结构的新方法。

这一趋势开始于多年以前，当时发明了一种无损操纵活体细胞的“光镊”。

现在，ＭＩＴ的工程师以及ＭａｔｔｈｅｗＬａｎｇ教授等已经论证了下一代的技术：一种能够操纵活体细胞及尺寸为２０!ｍ的微机电系统（ＭＥＭＳ）结构的光学牵引光束。

“我们已经开始把光学技术用来构建芯片上的结构，”Ｌａｎｇ说。

据报道，科内尔大学的教授ＭｉｃｈａｌＬｉｐｓｏｎ和ＤａｖｉｄＥｒｉｃｋｓｏｎ利用围绕固体核心光纤的短暂场，吸引并推进微米级和纳米级粒子通过微流体器件。

据报道，利用输入到光纤的约５４ｍＷ的光功率，直径３!ｍ的聚苯乙烯球能够实现每秒２８!ｍ／ｓ的速度。

在ＭＩＴ的支持下，电子工程教授ＥｒｉｃｈＩｐｐｅｎ与物理学教授ＭａｒｉｎＳｏｌｊａｃｉｃ一道，通过闭合光－机械与机械－光之间的反馈环路，利用机械对光的作用，使光对机械的影响成为一体。

对于如何把机械上的反馈耦合到光学腔之中，研究人员已经初步掌握了详细的控制理论，从而可用于调谐它们的谐振。

研究人员希望最终能够证明，在可工作的ＭＥＭＳ器件中，能够执行现今无法实现的“全光”功能，从开关到自适应散射以及用于像光学时钟恢复这样的滤波器的综合应用。

（Ｎｏ．４３）Ｎｏｖａｌｅｄ高效白光ＯＬＥＤ寿命达到１０万小时基于自有的ＰＩＮＯＬＥＤ（Ｒ）技术和材料，Ｎｏｖａｌｅｄ公司的照明用白光ＯＬＥＤ性能又获重大提高：在亮度为１０００ｃｄ／ｍ２下效率达到３５ｌｍ／Ｗ、寿命达到１０００００ｈ，ＣＩＥ坐标为（０．４３，０．４４），显色指数为９０；而其在亮度为４０００ｃｄ／ｍ２时光效为３１ｌｍ／Ｗ，色标及显色指数值则无明显变化。

这种ＯＬＥＤ器件以蓝色荧光材料和红／绿色磷光发光材料（混合方法）的叠加结构为特色，叠层和传输层均使用了Ｎｏｖａｌｅｄ自有的材料。

负折射率材料负折射率材料是一种具有特殊光学性质的材料，其折射率小于零。

这种材料在光学领域具有重要的应用价值，可以用于制备超透镜、消除球差、改善光学成像系统的性能等。

负折射率材料的研究和应用已经成为光学材料领域的热点之一。

负折射率材料的研究始于20世纪90年代，最早由俄罗斯科学家维克托·瓦西利耶维奇·维斯洛夫和英国科学家约翰·潘恩提出。

他们在理论上预测了负折射率材料的存在，并提出了一种制备方法。

随后，美国科学家大卫·史密斯等人在实验中成功制备出了负折射率材料，引起了学术界和工业界的广泛关注。

负折射率材料的研究涉及到多个学科领域，包括物理学、材料科学、光学工程等。

目前，已经有多种材料被发现具有负折射率特性，如金属纳米结构、某些半导体材料等。

这些材料不仅在理论研究中展现出了独特的光学性质，而且在实际应用中也显示出了巨大的潜力。

负折射率材料在光学成像系统中具有重要的应用价值。

利用负折射率材料制备的超透镜可以克服传统透镜的局限性，实现超分辨率成像。

此外，负折射率材料还可以消除球差，改善光学成像系统的成像质量，提高成像的清晰度和分辨率。

因此，负折射率材料在光学成像领域有着广阔的应用前景。

除了在光学成像系统中的应用，负折射率材料还可以用于制备超透镜、超材料等光学器件。

这些器件具有特殊的光学性能，可以实现对光波的精确操控和调制，有着广泛的应用前景。

此外，负折射率材料还可以应用于激光技术、光通信、光存储等领域，为光学科技的发展带来了新的机遇和挑战。

总的来说，负折射率材料是一种具有特殊光学性质的材料，具有广泛的应用前景。

随着科学技术的不断发展，负折射率材料的研究和应用将会得到进一步的推动，为光学领域的发展带来新的突破和创新。

相信在不久的将来，负折射率材料将会在光学领域展现出更加广阔的应用前景，为人类的科技进步和生活带来更多的惊喜和便利。

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。

超材料的研究与发展近年来，超材料在许多领域都显示出了巨大的潜力。

超材料是一种具有特殊的物理性质的材料，可以在微观或宏观层面上操纵电磁波，声波和热量。

因此，超材料在光学，声学，电磁学，生物医学和能源等领域具有广泛的应用前景。

在本篇文章中，我们将讨论超材料的研究和发展。

超材料的定义和分类超材料是一种由实验室制造的材料，具有通过人工设计和制造实现的复杂结构特征。

超材料的一个定义是具有某些制造特点的结构。

超材料是由一些单元构成的，单元的大小小于所处波长的尺度。

超材料的单元具有特定的电磁响应，这种响应是与它们的几何形状，排列和材料性质密切相关的。

根据其电磁响应，超材料通常被分为负折射材料，超透镜材料，金属光子晶体，等离子体材料，超材料透镜和折射材料等。

负折射材料负折射材料（NCM）是一种具有负折射指数（NRI）的材料，这表示材料在光线穿过时会显示退相干和物体缩小的效果。

当传输的光线离开NCM时，产生的折射角与离开表面的入射角相反。

最初，为了实现这一指标，使用的方法是将金属导电体到微米甚至亚微米的尺度上制作出小结构。

NRI的值可以用来计算物体的折射率。

这个负折射材料的概念发展了许多实际应用，包括精细测量，高分辨率显微镜和鬼像消除。

超透镜材料超透镜材料是指某些基于超材料技术制造的材料，具有使过去难以把它们看清晰的不可见物体变得可见的能力。

这种透镜可以应用在高分辨率显微镜和纳米电路中。

金属光子晶体金属光子晶体是一种通过复杂的嵌入式金属结构制造材料。

它们通常是多层结构，其中每一层都包含成千上万的微米尺度的周期性结构。

金属光子晶体可以被制作成反射镜，电磁屏蔽器和其他电子器件。

这些材料通常由金属和基质组成，例如硅和其他半导体。

等离子体材料等离子体材料是一种具有晶格折射率的材料，这是由激发的等离子体产生的。

等离子体由高强度的光或其他电磁辐射激发的。

在这种材料中，电磁波穿过时，其特殊的产生现象使它们成为一些有超材料特性的最具代表性的例子。