可见电磁波在金属_空气界面传输特性实验研究

1、可见电磁波在金属空气界面传输规律实验研究目录致谢中文摘要英文摘要一第一章前言研究背景重要的光学发现折射定律微粒、波动还是量子对光的本质的研究一一一在争论中被不断深化的认识一第二章光折射研究的新进展光的负折射现象及其研究本研究工作的意义第三章实验和结果样品生长与控制系统生长控制系统的改进样品测量系统结构测量系统的改进一样品的测量与数据结果一一一第四章讨论电磁波在介质中的传播模型中等离子共振条件一光在金属基界面的传输路径负磁导率效应效应表观折射率与群速度之间的关系快慢光子第五章小结参考文献攻读博士学位期间发表论文可见电磁波在金属空气界面传输规律实验研究致谢核对完论文的最后一个字，我意识到自己已经完

2、成了学生时代的最后一项作业，这门功课概括了我过去年的全部工作和成果，回顾这段学习生活，颇多感慨。在这年里，我所在实验小组内兼容并包的自由的学术气氛，老师和同学们在学术上的努力拼搏，在生活上的相互帮助关心，都给了我莫大的帮助和鼓励。大家对各自研究方向的交流，对学术问题的各抒己见、热烈讨论，在在激发着我的工作热情。实验室中亲密无间，乐于分享与合作的融洽关系也始终在为我的工作提供帮助。从做本科毕业论文开始，陈良尧教授就成为了我的导师，在我这些年的研究生学术研究中他始终给予了悉心的指导。陈老师投入的工作作风、忘我的工作热情、细致的实验技巧、高度敏捷的物理思维、对科研工作的精益求精都是我在科研工作中的榜

3、样和楷模。陈老师不仅对于我在研究生阶段的科研工作进行了指导和帮助，更在指导中培养了我严谨细致的工作作风，使我从一个热情而毛糙的学生逐步成为一个客观冷静的科研工作者。陈老师始终鼓励我们，要在年轻的时候努力工作，向着最前沿、最顶峰的领域进军，要勇于挑战已有的理论和规律。实验室王松有、郑玉祥、李晶、张荣君几位老师始终鼓励和帮助我把工作做的更好更细致。他们深厚的理论功底、扎实的实验技能、丰富的科研经验和阅历都为我的工作提供了强有力的支援。老师们始终能在我的工作遇到障碍和瓶颈的时候，用他们的经验对我进行帮助。老师们总是能够一针见血的指出我工作中的疏漏，在样品架的设计方案、样品生长的过程控制、仪器设备的故

4、障维修、实验结果的理论分析等等各个环节都提出了他们的观点，在我遇到无法克服的障碍提出行之有效的解决办法。他们的帮助不仅使我完成了课题的研究，也在各个方面充实了我的论文内容，使之具有丰富的内容。我的工作中有大量的测量工作，以及对海量的测量数据进行分析的工作，以我的一己之力要完成这些工作是难以想象的。感谢我的合作者，同样是陈老师指导的研究生顾闻同学。他与我在测量和数据分析工作中的默契配合大大缩短了工可见电磁波在金属空气界面传输规律实验研究作所花费的时间。我还要对我的家人表示深深的谢意，我的父母，我的先生，我先生的父母，他们在我攻读研究生期间给予了我全心的理解和支持。尤其是在儿子出生之后，位长辈负担

5、起了大部分日常事务，使我能够专心于工作和论文。最后我还要感谢在我写作论文期间出生的儿子。感谢他让我平静的度过整个孕期，没有因为妊娠反应而影响工作，感谢他是一个性格随和而开朗的孩子，在出生后没有吵闹，没有生病，一直成长的很健康，既没有过多的分散我的精力，还在工作之余，为我的生活增添了无穷的乐趣和快乐。从本科到研究生，我在复旦度过了整整年的时光，这是我人生最美好的一段时光。复旦给予我的不仅是知识，它让我接触到的不仅是科学理论、学术前沿，它还将睿智、细致、从容的大家风度展现在我的面前，让我有机会近距离的感受客观、冷静、稳健的学术作风和生活态度，同时也始终为我保持热情和活力。在复旦生活和学习给我带来的

6、不仅是工作和学术，也让我在运动和娱乐中结识了更多的朋友，使我的生活丰富多彩。再见，我的学生生涯，也许从此我再没有机会进入课堂聆听大师前辈们的教诲，但是多年学生生涯带给我的探索进取的科研精神将始终伴随我度过今后漫长的人生道路。不论我将从事何种职业，这种精神都将使我获益终身。邬云骅二零零八年五月五日可见电磁波在金属空气界面传输规律实验研究摘要定律揭示了光在穿越由不同介质构成的界面时的传播和折射规律，这是现代物理光学和几何光学的基础，也是精密光学系统的特性受到限制的物理原因。改进的途径是设法寻找到负折射率材料，与正折射率材料匹配在一起，预期可形成完美光学透镜。这虽然是多年前理论研究的预言，但在相当长

7、时期内，在自然界中未发现违背定律的天然负折射率材料存在。随着新材料制备原理和技术的进步和发展，国际上首次在微波区发现了金属基人工微结构材料可产生负折射率效应，导致了在广泛领域内对于负折射率材料结构和制备的浓厚兴趣，并引发了学术界对于光在金属基结构中传播特性更深入的理论和实验研究的兴趣和争议。这触及到对核心光学原理的深刻认识和修改，以及所伴随产生的一系列与传统光学原理和规律尖锐冲突的问题，并延伸研究到很多方面，如负折射、人工材料、光子晶体、表面等离子体等，都成为近年来最热门的前沿研究课题，大量理论和实验结果发表在，和等国际核心期刊上，促使世界范围内的研究小组通过各种不同的实验方法和理论模拟，积极

8、探索这些感兴趣的核心问题。在本论文工作中，围绕上述核心科学问题，通过制备一系列入射角精确可控的贵金属（和）基样品，对于光在最简单的天然贵金属界面传播时发生由负到正的折射率效应进行了定量实验测量，在定律的框架下，首次获得了表观折射率值与入射和折射角的定量关系，并对其机理进行了深入的讨论和分析，以可靠的实验数据，致力于澄清目前发生在理论和实验研究领域对这一问题的分歧和争议，并促进这些新效应在新型光电子材料和器件领域获得应用和推广。在本论文工作中，首先围绕以定律为框架的光学原理进行了历史的回顾，描述了这一重要定律的发现过程及其在现代光物理和光工程领域的奠基作用。虽然对于光在金属界面传输的理论研究方面

9、已有了前期研究和积累，但在实验研究方面仍很困难。因此，在本论文中对测量光在金属界面的实验过程和结果可见电磁波在金属空气界面传输规律实验研究进行了详细的描述。在研究中选择了在可见光区的折射率值小于并接近于零的贵金属和以及参考等样品，制备成具有棱镜形状的楔型样品。采用了速率可控的射频溅射方法，在真空条件下线性和精确控制掩膜板和样品位移，制备了一系列具有不同楔型角的金属样品，并采用椭圆偏振光谱等方法对样品的光学常数等物理量进行了测量。针对金属样品的高吸收和浅透入深度的特性，采用了可见光区三个不同波长（、）的单色激光，以不同的系列入射角入射到金属大气界面。激光束被远距离投影到屏幕上，克服大气扰动、环境

10、振动等对测量的影响和困难，实现了对于发生在纯金属界面的微小折射偏移量的准确测量。在论文研究中，围绕所获得的在不同波长下光在金属边界的折射角发生从负到正的变化规律，以详实的分析和依据对于有可能导致奇异光折射现象的各种争议性机理进行了细致探索和讨论，包括表面和体等离子共振效应、负磁导率效应、效应、光在金属基界面的传播路径、由折射率色散特性所决定的快慢光子行为等效应。通过对贵金属和的光学常数的色散特性分析和数值计算，发现在可见光的光谱区，表征光子能量传播方向的群速度和群折射率的值会随光子能量的增大而发生从负到正的改变，这与本论文研究的实验测量和观察结果相符合。因此，本研究工作中所获得的结果将增加人们

11、对经典物理光学中最基本定律的认识和理解，无论是在理论还是应用上都有着现实的意义，能促使人们更好地认识基于定律的电磁波在物质中的传播规律。本论文获得的结果及其后续工作将启发和激励人们对于自然界中的这些有趣的现象和问题进行更深入的研究和理解，并将为新型微纳结构的光电子功能材料和器件的研制和应用建立基础。关键词吸收介质、负折射率、光电磁波、定律分类号：，锄，啪疗，（），（），可见电磁波在金属空气界面传输规律实验研究，、），、，：，可见电磁波在金属空气界面传输规律实验研究第一章前言研究背景信息技术是支撑世纪科技和产业发展的重要支柱领域，具有周期非周期微纳结构的光电子材料和器件是实现高效率光信息传输、获

12、取、显示和存储等复杂信息技术和功能的基础。与传统的体功能光电子器件相比，纳光电子器件结构的器件具有许多优点，如可依据科学原理对器件结构、组份和性能进行复杂人工剪裁和设计，可实现低维纳米尺度的工艺制备，器件结构紧凑、性能稳定可靠，易于集成化，具有很高的性能成本比等，世界各主要工业化国家都给予高度重视和支持，这不仅与国家的国防和安全有关，而且是在激烈的全球经济竞争中获得优势的关键。在能源领域，全球经济的发展和能源短缺迫使人类做出巨大努力寻找各种新能源。目前，在清洁能源的太阳能利用的研究方面，大多将注意力集中在光电转换方面，由于不同半导体材料各不相同的能带结构，难以与太阳光宽阔的光谱区完全匹配，其光

13、吸收区主要对应于较狭窄的太阳光谱区，导致大部分太阳能无法被充分利用，或由于使用间接带隙结构材料，不易从根本上提高其光电转换效率，并且材料和制备成本较昂贵。与此相比，在一的主要太阳光谱区，充分利用电磁波在纳米结构的金属介质混合材料及其界面的传播特性，在全波段调控其结构、相位和振幅的匹配，可实现超过的光子俘获和光热转换效率。所构成器件的结构和工艺相对较为简单，具有高可靠性，长寿命，抗老化，材料和工艺成本较低，易于推广等显著优点，属于全球关注的以信息技术为基础的绿色能源研究领域。传统的带通光频电磁波过滤是通过严格控制微纳光子结构的周期月乍周期和材料的介电常数等参数来实现。对于涉及到国家安全和在空间环

14、境中应用的光电传感器来说，不仅要求器件具有很高的性能，同时要求器件能有效抵御各种干扰和攻击。利用低维周期月乍周期混合纳米结构，能够产生超窄带光频电磁波的获取和过滤特性，可在很宽频率的电磁波辐射区形成很窄的光学窗口，既保证器件可见电磁波在金属空气界面传榆规律实验研究正常工作，同时又能有效保护其免受强光的干扰和攻击。理论和实验证明，可用低维周期非周期结构来控制光子的运动，并由此产生了用于制备隐身和完美透镜等器件的诸如负折射率效应及其结构的许多新概念、新材料及新器件，引起全球学术界的极大重视。在尝试用光子取代电子来获取、传输、处理和存储信息的努力中，近年来控制光脉冲在深低温和任意弯曲波导中传播和群速

15、度的增加减慢方面取得了进展。然而，与对电子的控制水平相比，目前对光子的研究和控制水平仍很不够，特别是对光脉冲的储存和处理方面的研究还刚刚开始。要达到储存光子脉冲，首先必须要实现室温下光脉冲的减速、加速和停止，并对其机理有深刻认识和理解。在微纳结构中，光学常数的奇异色散特性是影响光的能流传输方向和路径的关键。电子和光子是两种物理性质完全不同的粒子÷依据电子的性质，经过一个多世纪的研究努力，才使众多电子功能器件在现代电子系统中发挥了重要作用。光子无质量，其路径、速度和迟豫等状态仅受边界和介电常数的色散等条件约束，被有限地控制和改变。在电子信息载体的通信系统中，构成信息交换和路由功能的有多

16、种关键逻辑门电路，但在光通信领域仍无完全相对应的光子功能器件。对于具有复折射率系数的吸收介质，光在周期非周期纳米结构的多媒质边界处的传播行为更为复杂，研究极具挑战和颠覆性。然而，人们认为，世纪光学大变革的时代已现曙光，纳米结构的反常正负折射率效应和新结构的发现，使光的传播和成像理论别开生面，为新型光子器件的研究打下了基础。这些都构成了本研究工作的重要应用和基础背景。重要的光学发现折射定律【，光学是现代科学的重要分支学科，已渗透到人类社会生活的各个领域。对于自然界中奇异光学现象的探索和研究已具有悠久的历史，可追溯到多年前。约在公元前多年（先秦时代），中国的墨经记录了世界上最早的光学知识，记有条有

17、关光学现象的原始描述，包括阴影的定义和生成，光的直线传播和针孔成像，并以严谨的文字讨论了在平面镜、凹球面镜和凸球面镜中物和可见电磁波在金属空气界面传榆规律实验研究像的关系。古希腊数学家欧几里德（，约公元前）的光学是早期几何光学著作之一。在光学这本书里，他总结了有关光现象的知识和猜测，对光的透视问题作了研究，叙述了光的入射角等于反射角的规律，认为眼睛感知的视觉信息是由眼睛发出的光线到达观察物体的结果。那时人们已经知道，光线在眼睛和被观察物体之间是沿直线传输，当光线从一个平面反射时，入射角和反射角相等。在那时期，光的折射现象虽已为人们所知，但仍停留在经验的观察和讨论方面。古希腊科学典籍中最早关于光

18、折射的实验记载是公元二世纪托勒密（，公元）所做的光的折射实验。他在一个圆盘上装两把能绕盘心旋转的尺子，将圆盘的一半浸入水中。让光线由空气射入水中，就得到它在水中的折射光线，转动两把尺子，使它们分别与入射光线和折射光线重合，然后取出圆盘，按尺子的位置刻下入射角和折射角。他所测出的一系列数据是非常精确的。托勒密大致假定了光的入射角和折射角之间，有一直接的比例关系。他最后的一本重要著作是光学，共有卷，其中讲述眼与光之间关系的第一卷已遗失；第二卷说明物体能被眼睛看见的条件和双眼效应；第三、四两卷专门研究反射光学（）原理，这是此书中非常有价值的部分。托勒密在书中共确认了三条定理【】（）镜中物体的像位于人

19、眼与镜面反射点连线的延长线上某一点位置；（）镜中物体的像位于物体与镜面垂直线的延长线上某一点位置；（）人观察物体的视线的入射角与反射角相等。由上述三条定律，镜中成像的位置和状态可被唯一确定，并能通过实验给予描述和验证。在此基础上，托勒密又对这三条平面镜反射光学定理作了进一步发展，讨论了许多非平面镜的反射规律，其中包括球凸镜、球凹镜等，甚至还有一些他所谓的“组合镜（如柱面镜之类）等。托勒密在光学第卷中讨论了光的折射现象和原理。他首先描述了水使容器底部的物体看起来像被抬高了的实验（见图），说明光线从空气进入水这一不同媒质时，在两媒质边界处发生了光的折射。然后他详细说明了测量折射规律的定量实验方法，

20、如图所示。这是在一个铜盘上通过互相垂直的两条直径形成个象限区，铜盘圆心位置有，杆箭头，可如钟面时针那样转动。将铜盘置于水缸中，盘面与水平面垂直，并使水正好浸没盘的一半。于是，假设在暴露于空气中铜盘的上半边缘处，如图中的处，作一标记，人眼从处观察铜盘圆心，再转动小杆箭头，使之看起来与圆心在同一直线上，则小杆箭头此时与铜盘边缘相交于点，只要不断改变点的位置，则点的位置也必随之改变，于是可以记下一系列入射角，与折射角芎之值，获得两个角之间的对应变化关系。人鼹物体图托勒密描述的光线折射的实验。，、。声一二二；图托勒密描述的测量光线折射规律的定量实验方法可见电磁波在金属空气界面传输规律实验研究根据这个实

21、验，托勒密绘出了光线以各种角度从光疏介质（空气）入射到光密介质（水）的折射表。在光学第五卷中，托勒密还研究了光线在空气与玻璃交界面上的折射，他发现玻璃对空气的折射率比水对空的折射率大，这是正确的。在这一卷中托勒密又论及与天文观测有关的折射，以及折射量与介质密度的关系和折射成像等问题。托勒密以自己的直观经验发现了光的折射规律，但未能归纳出精确的折射定律。年，伽利略（）制成了望远镜，并利用它进行了很多科学观测。这些新的发现激励开普勒（）对光的折射现象进行了更深入的研究，并于年出版了折射光学一书。开普勒的研究表明，对于两种给定的介质，小于度的入射角与相应的折射角成近似固定的比例，对于玻璃或水晶，这个

22、比约为：。他还表明，这个比对于大的入射角不成立。开普勒试图通过实验发现精确的折射定律，他的方法虽然是正确的，却没有得到其中有规律性的联系。但是，开普勒的研究为后来斯涅耳（）得出折射定律起到了一定的启示作用。斯涅耳（，）最早发现了光的折射定律。约在年，斯涅耳通过实验确立了开普勒想发现而未获得成功的折射定律。当时斯涅耳注意到了水中的物体看起来像漂浮的现象，并试图揭开其中的奥秘，由此便引出了他对折射现象的研究。在总结托勒密、开普勒等前人的研究成果后，斯涅耳做了进一步的实验。在实验中，斯涅耳应用开普勒的方法发现：从空气到水里并落在容器垂直面上的一条光线在水中所走的长度，同该光线如按未偏离其原始方向而本

23、来会通过的路程成一定的比例。他指出：折射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，入射光线和折射光线分别位于法线两侧，入射角的正弦和折射角的正弦的比值对于一定的两种介质来说是一个常数。这个常数是第二种介质对第一种介质的相对折射率，即：吻，式中和如分别为入射角和折射角，和分别为入射光和折射光所在介质的折射率，是和的比值。斯涅耳所揭示的这一折射定律（也称斯涅耳定律）是从实验中得到的，未做任何理论推导，虽很正确，却未正式发表，只是后来惠更斯（）和伊萨克沃斯两人在查阅他遗留的手稿时，才看到这方面的记载。首次把折射定律表述为今天的这种形式的是笛卡儿（），他未做任可见电磁波在金属空气界面传输规律实验研究何实验

24、，仅从一些假设出发推导出了这个定律。笛卡儿在他的屈光学（）一书中论述了这个问题。微粒、波动还是量子对光的本质的研究】年，牛顿（，）进行太阳光的实验，他把太阳光分解成由不同颜色代表的简单组成部分，这些颜色按一定顺序排列，形成了光的分布光谱。它使人们第一次接触到光的客观和定量的特征。牛顿还发现了把曲率半径很大的凸透镜放在光学玻璃平板上，当用白光照射时，透镜与玻璃平板接触处会出现一组彩色的同心环状条纹；当用单色光照射时，则出现一组明暗相间的同心环条纹。后来，这种现象被称为牛顿环，借助这种现象可以用第一暗环的空气隙厚度来定量表征相应的单色光。牛顿同时根据光的直线传播性，提出光的微粒说，认为光是一种微粒

25、流，微粒从光源飞出，在均匀介质内遵守力学定律作等速直线运动，他用这种观点对折射和反射现象作了解释。惠更斯（，）是光的波动说的创立者，他提出光与声一样，是以球形波面传播的，并指出光振动所达到的每一点都可以视为次波的振动中心，次波的包络面为传播波的波前。在整个世纪，光的微粒流理论和光的波动理论都被粗略提了出来。世纪初，波动光学初步形成，托马斯杨（，）圆满地解释了薄膜颜色和双缝干涉现象。菲涅尔（，）于年以杨氏干涉原理补充了惠更斯原理，形成了今天的惠更斯菲涅尔原理，可以圆满解释光的干涉和衍射现象，也能解释光的直线传播。年，法拉第（，）发现了光的振动面在磁场中发生旋转；年，韦伯（，），与鲁道夫科尔劳施（

26、）发现光在真空中的速度等于电流强度的电磁单位与静电单位的比值。他们的发现表明光学现象与磁学、电学现象间有一定的内在关系。年前后，麦克斯韦（，）指出，电场和磁场的改变不能局限于空间的某一部分，而是以等于电流的电磁单位与静电单位的比值的速度传播着，光就是这样一种电磁现象。年，赫兹的实验证实了可见电磁波在金属空气界面传输规律实验研究这个结论。然而，这样的理论还不能说明能产生象光这样高的频率的电振子的性质，也不能解释光的色散现象。直到年洛伦兹（，）创立电子论，才解释了发光和物质吸收光的现象，也解释了光在物质中传播的各种特点，包括对色散现象的解释。在洛伦兹的理论中，以太乃是广袤无限的不动的介质，其唯一特

27、点是，在这种介质中光振动具有一定的传播速度。对于像炽热的黑体的辐射中能量按波长分布这样重要的问题，洛伦兹理论还不能给出令人满意的解释。并且，如果认为洛伦兹关于以太的概念是正确的话，则可将不动的以太选作参照系，使人们能区别出绝对运动。而事实上，年迈克耳逊用干涉仪测“以太风”，得到否定的结果，这表明到了在洛伦兹电子论时期，人们对光的本性的认识仍然有不少片面性。年，普朗克从物质的分子结构理论中借用不连续性的概念，提出了辐射的量子论。他认为各种频率的电磁波，包括光，只能以各自确定分量的能量从振子射出，这种能量微粒称为量子，光的量子称为光子。量子论不仅很自然地解释了灼热体辐射能量按波长分布的规律，而且以

28、全新的方式提出了光与物质相互作用的整个问题。量子论不但给光学，也给整个物理学提供了新的概念，所以通常把它的诞生视为近代物理学的起点。年，爱因斯坦运用量子论解释了光电效应。他给光子作了十分明确的表示，特别指出光与物质相互作用时，光也是以光子为最小单位进行的。年月，德国物理学年鉴发表了爱因斯坦的关于运动介质的电动力学一文，第一次提出了狭义相对论基本原理。文中指出，从伽利略和牛顿时代以来占统治地位的古典物理学，其应用范围只限于速度远小于光速的情况，而他的新理论可解释与很大运动速度有关的过程的特征，根本放弃了以太的概念，圆满地解释了运动物体的光学现象。这样，在世纪初，一方面从光的干涉、衍射、偏振以及运

29、动物体的光学现象确证了光是电磁波；而另一方面又从热辐射、光电效应、光压以及光的化学作用等无可怀疑地证明了光的量子性微粒性。可见电磁波在金属空气界面传输规律实验研究在争论中被不断深化的认识从光学发展的历程可以看到，在光学的发展过程中产生过多次争论。如对光的速度产生过争执：光速是有限的，还是无限大？开普勒和笛卡尔都认为光的传播不需要时间，“光在一瞬间从发光体到达人们的眼睛，光速为无限大。但伽俐略认为光速虽然传播得很快，却是可以测定的，并在年进行了最早的测量光速的实验。光速的测定在光学的研究过程中有着非常特殊而重要的意义，它不仅推动了光学的发展，也打破了光速无限的传统观念，在物理学研究的发展里程中，

30、它不仅为粒子说和波动说的争论提供了判断的依据，而且最终推动了爱因斯坦相对理论的发展。而光学史中最著名的莫过于关于光的本性的争论，即世纪的微粒说和波动说之争。年，牛顿在他的论文关于光和色的新理论中谈到了他所作的光的色散实验，并用微粒说阐述了光的颜色理论。年月日，以胡克为主席，由胡克和波义耳等组成的英国皇家学会评议委员会对牛顿提交的论文关于光和色的新理论基本上持以否定的态度。第一次波动说与粒子说的争论由“光的颜色”这根导火索引燃了。从此胡克与牛顿之间展开了漫长而激烈的争论。年月日，牛顿在说明在我的几篇论文中所谈到的光的性质的一个假说一文中，再次反驳了胡克的波动说，重申了他的微粒说。惠更斯作为波动说

31、的支持者继承并完善了胡克的观点。年，惠更斯向巴黎科学院提交了他的光学论著光论。在光论一书中，他系统的阐述了光的波动理论。同年，惠更斯发表了反对微粒说的演说。年，光论出版发行。在惠更斯积极的宣传波动学说的同时，牛顿的微粒学说也逐步的建立起来了。牛顿修改和完善了他的光学著作光学。基于各类实验，在光学一书中，牛顿一方面提出了两点反驳惠更斯的理由：第一，光如果是一种波，它应该同声波一样可以绕过障碍物、不会产生影子；第二，冰洲石的双折射现象说明光在不同的边上有不同的性质，波动说无法解释其原因。另一方面，牛顿把他的物质微粒观推广到了整个自然界，并与他的质点力学体系融为一体，为微粒说找到可见电磁波在金属空气

32、界面传输规律实验研究了坚强的后盾。为不与胡克再次发生争执，胡克去世后的第二年（年）光学才正式公开发行。但此时的惠更斯与胡克已相继去世，波动说一方无人应战。而牛顿由于其对科学界所做出的巨大的贡献，成为了当时无人能及的一代科学巨匠。随着牛顿声望的提高，人们对他的理论顶礼膜拜，重复他的实验，并坚信与他相同的结论。整个十八世纪，几乎无人向微粒说挑战，也很少再有人对光的本性作进一步的研究。一直到世纪初，扬作了双缝实验，提出了光的波长、频率等概念，很好地解释了光的干涉和衍射现象。接着菲涅耳和阿拉果研究了光的偏振和偏振光的干涉现象，确定了光是横波。世纪中叶，由于电磁场理论的建立，揭示了光现象和电磁现象的内在

33、联系，确认光波是一种电磁波。电磁理论的进一步发展，使电磁场的概念代替了机械以太的概念。光的电磁理论宣告了光的波动说的胜利。年，爱因斯坦提出光量子概念，世纪年代建立的量子力学，进一步确立了包括光量子在内的一切微观粒子都具有波一粒二象性理论，彻底破除了把光的本质仅仅看成是微粒或仅仅看成是波动的片面观点。光既具有微粒性又具有波动性，二者处于辩证统一之中。这场长达个世纪的争论，是光学发展的产物，同时又成为科学新发展的动力。现在，随着世纪信息时代的到来，在光电子学领域又出现了新的关于介质负折射率的研究热潮和学术争论。各国顶尖的科学家与实验室纷纷进行研究，提出各种模型、理论与猜想，相关课题的论文更是大量出

34、现在、等国际核心学术期刊中。这场新世纪具有颠覆性的学术争论必将推动光电子学向新的高度进一步发展，甚至将为光电子学新理论的产生莫定基础。可见电磁波在金属空气界面传输规律实验研究第二章光折射研究的新进展光的负折射现象及其研究几何光学遵循三条基本定律：（）光线的直线传播定律，既光在均匀介质中沿直线方向传播；（）光的独立传播定律，既两束光在传播途中相遇时互不干扰，仍按各自的途径继续传播，而当两束光会聚于同一点时，在该点上的光强是简单相加；（）反射定律和折射定律，即光在传播途中遇到由两种不同介质构成的光滑分界面时，一部分反射，另一部分折射，反射光线和折射光线的传播方向分别由反射和折射定律决定。折射率是介

35、质的一种基本光学性质，当一束射线以任意角度入射到两种物质界面上时，折射光线的方向由这两种物质的折射率决定。定律，给出了取决于两种物质折射率的入射角与折射角之间的定量关系。随着定律的建立，光学作为一门物理学科被建立起来。此后许多的新理论和新定律都建立在定律的基础上。在这里，折射率惕与嘞都是正实数。众所周知自然界中存在的已知物质都具有正的折射率，电磁波在这些材料（，右手材料）中的传播遵守右手定律，如图（）所示。年俄国科学家提出：如果一个物质的介电常数（）与磁导率（）都是负的，这时介质的折射率小于零，则光行经其中时会产生逆效应，逆效应与逆辐射。这种物质称作左手材料（，），如图（）所示。可见电磁波在金

36、属空气界面传输规律实验研究图光的右手（）和左手（）传播规律的演示图，其中轴为电场方向，轴为磁场方向，轴为光是能量传递方向电磁波在介质中传播的行为是由介电常数和磁导率所决定的。在各向同性均匀介质中，单色波的波向量后和频率之间的关系可以表示成七：冀万（）这里，以为折射率，并且拧（）当刀、都为正实数，即介质中没有能量损失的情况下，和同时改变符号，对式（）和（）无任何影响。即是根据这个结果作出了以下的推论：当和同时改变符号时介质的性质不会发生变化；和同时为负值可能违背了某些基本的物理原理因而始终没有发现且的物质；和同时为负值的介质应该具有某些物理性质。在目前已知的自然界材料中，至今仍没有发现天然反常折

37、射现象。但近年来，对于周期性人工材料的负折射率现象等性质的研究取得了进展，相继有关于可见电磁波在金属空气界面传输规律实验研究周期性人工材料体现出反常电磁波折射的报导出现。和光子晶体等新的材料成为众多研究小组的研究对象。发现半径合适的二维导电金属丝阵列和中性等离子体具有相同的电磁效应，即在某一频率内介电常数为负（）；等人也观察到金属结构有等离子体相似的性质。之后，等人进一步发现，带缝隙的环状（，）多个周期阵列并相互耦合，在一定的频率范围内呈现负的磁导性质，如图所示。单个结构是一对带缝隙的大小环结构，可以在某一相同的特定频率范围内分别有负的介电常数和磁导率。之后，国际上的小组【】提出这种结构的人工

38、材料有可能符合电磁波的左手传播特性，并合成了这种材料，其元件尺寸都小于电磁波的厘米级波长。在中，带缝隙的环状谐振器产生负磁导率，导电金属丝阵列产生负介电常数。如图所示，单个是一对带缝隙的大小环，在其平行轴方向加入一个随时间变化的磁场，激发一个沿环的电流。此电流进而产生又一个磁场，增强或减弱原磁场。内环的缝隙和外环的缝隙在相反方向上，其目的是在环间产生大电容，大幅度降低振荡频率，增强电场。原来没有磁性的金属环随着入射电磁波的振荡，产生了有效磁导率，并通过改变金属环宽度、内外环间距、缝隙大小、导电金属丝宽度等结构参数来改变磁导率的值。目目目自口。一一！墨皇墼查全墨丝塑塑兰垡塑塑丝茎翌璺墨一图结构原

39、理图【】图阵列结构图可见电磁波在金属空气界面传输规律实验研究图二维金属线阵列结构图【】另外还有一种结构独特的人工材料，通过利用二维金属线阵列来产生负介电常数，如图所示。由于金属本身在光学频段稍低于等离子体共振频率处的介电常数为负值，为了能够在微波波段得到负介电常数，就需要降低等离子共振频率的值。由金属线构成的周期性阵列能够降低电子密度，提高有效质量，从而将共振频率降低到微波波段范围。同时利用周期性开环谐振腔阵列来产生负的磁导率，二者组合起来形成一个相当于棱镜形状的结构。目前已经知道的是，微波在结构中是异常传播的，但并不是所有波段的电磁波都有这个现象。小组在理论上计算了微波在中异常传播的频率范围。金属丝二维阵列的有效介电常数为频率（）的函数：以小每（）式中是等电离子频率，与金属丝的二维几何形状有关有效磁导率也是频率的函数：协（）一石再（）可见电磁波在金属空气界面传输规律实验研究式中和是与几何尺寸等参数有关的常数，与电磁波频率无关。当时，谚和谚同时为负，折射率也是一个负实数。因此，和决定的特性，折射率为负的频率范围也取决于该材料的几何参数。把本身的几何参数模拟成几组确定的数值，计算出在相应的频率范围（大致在微波波段，以下），这种人工周期材料将呈现出负折射率性质。在微