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负折射率材料光学 王磊 13S011062一、负折射率材料历史及研究现状负折射率材料(NIMs，Negative index materials)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(1efthanded 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。他称这种假想的物质为左手材料(1efthanded materials，LHM)，同时指出，电磁波在这种材料中的行为与在右手材料中相反，比如光的负折射、负的切连科夫效应、反多普勒效应等。这篇论文引起了一位英国人的关注，1968年被译成英文重新发表在另一个前苏联物理类学术刊物上，但几乎无人意识到，材料世界将从此翻开新的一页。负折射率材料的研究发展并不一帆风顺。在这一具有颠覆性的概念被提出后的三十年里，尽管它有很多新奇的性质，但由于只是停留在理论上，而在自然界中并未发现实际的负折射率材料，所以，这个假设并没有立刻被人们接受，而是处于几乎无人理睬的境地，直到时光将近本世纪时才开始出现转机。原因在于英国科学家Pendry等人在19981999年提出了用周期性排列的金属条和金属谐振环(Split2Ring Resonator)可以在微波波段产生负的等效介电常数和负等效磁导率阶，从此以后，人们开始对这种材料投入了越来越多的兴趣。2001年的突破，使负折射率材料的研究在世界上渐渐呈现旋风之势。2001年，美国加州大学San Diego分校的David Smith等物理学家根据Pendry等人的建议，利用以锕为丰的复合材料首次制造出在微波波段具有负介电常数、负磁导率的物质，他们使一束微波射入铜环和铜线构成的人工介质，微波以负角度偏转，从而证明了负折射牢材料的存在。2002年7月，瑞士ETHZ实验室的科学家们宣布制造出三维的负折射率材料。这将可能对电子通讯业产牛熏大影响，相关研究成果也发表在当月的美国应用物理快报上。2002年底，麻省理工学院孔金瓯教授从理论上证明了负折射率材料存在的合理性，并称这种人工介质可用来制造高指向性的天线、聚焦微波波束、实现“完美透镜”、用于电磁波隐身等等。负折射率材料的前景开始引发学术界、产业界尤其是军方的无限遐想。2003年是负折射率材料研究获得多项突破的一年。美国西雅图Boeing PhantomWorks的CParazzoli与加拿大University ofToronto电机系的G Eleftheriades所领导的两组研究人员在实验中直接观测到了负折射定律；Iowa State University的sFoteinopoulou也发表了利用光子晶体做为介质的负折射率物质理论仿真的结果；美国麻省理工学院的ECubukcu和KAydin在自然杂志发表了文章，描述了电磁波在二维光予晶体中的负折射现象的实验结果。基于科学家们的多项发现，负折射率材料的研制赫然进入了美国科学杂志评出的2003年度全球十大科学进展，引起全球瞩目。2004年，我国“973”光子晶体项目首席科学家、复旦大学的资剑教授领导的研究小组经过两年的研究与巧妙设计，利用水的表面波散射成功实现了负折射率介质超平面成像实验，论文发表于著名的美国物理评论杂志上，即刻引起学术界的高度关注，被推荐作为自然杂志焦点新闻之一。同济大学波耳固体物理研究所以陈鸿教授为首的研究小组从2001年开始对负折射率材料展开研究，经过两年的研究，在基础理论和材料的制备与表征方面取得了重大进展，成果在国际物理学著名刊物上发表，2004年在国际微波与毫米波技术大会上作大会报告，并在2005年日本召开的国际微波与光学技术研讨会上作邀请报告。在我国，负折射率材料的研究已引起科学界的密切关注。复旦大学、香港科技大学、中科院物理研究所、南京大学、北京大学、西北工业大学等单位均有科学家先行涉足这一领域的研究。国家自然科学基金委将负折射率材料和负折射效应的研究列入了2005年重点交叉项目指南中，在数理部和工程与材科学部联合的“准相位匹配研究中的若干前沿课题”主题中将“左手材料相关基础性问题研究”列为主要探索内容之一，在数理部和信息科学部联合的“周期和非周期微结构的新光子学特性”主题中将“周期及非周期微结构中在太赫兹、近红外及可见波段的负折射效应研究”列为主要探索内容之一。同时，基金委信息学部将“异向介质理论与应用基础研究”列入重点项目指南。二、负折射率材料异常的物理性质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。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”，如下图所示。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。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。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，如下图所示。三、负折射率材料应用第一，军事隐形技术方面的应用。往往最先进的技术总是会在军事方面最先崭露头角，随着电子技术的飞速发展，未来战场的各种武器系统面临着严峻的威胁，隐身技术作为提高武器系统生存能力的有效手段，受到世界各国的高度重视，一直是各国科学家致力于研究的一个重要方向。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、透波材料实现对雷达的隐形；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；在可见光隐形上，只是靠涂抹迷彩或歪曲兵器的外形等初级的方法。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，从而在技术上实现武器系统或作战平台真正意义上的隐身。2006年，。SchurigEz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在军事领域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、军用飞机、海军舰艇、地面战车以及重要军事设施和士兵隐身等领域，导致一场军事隐身技术领域的革命，使目前的各种军用探测设备失去作用，在未来战场上给技术落后一方带来灾难性后果。第二，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2引，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