负折射

物理领域术语

负折射（Negative refraction）是俄国科学家Veselago 在1968 年提出的，指当光波从具有正折射率的材料入射到具有负折射率材料的界面时，光波的折射与常规折射相反，入射波和折射波处在于界面法线方向同一侧。直到本世纪初这种具有负折射率的材料才被制备出来。这种材料由金属线和非闭合金属环周期排列构成，也被称为metamaterial。在这种材料中，电场、磁场和波矢方向遵守“左手”法则，而非常规材料中的“右手”法则。因此，这种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，能流方向与波矢方向相反。

简介

大多数电磁现象都来源于电磁波和材料的相互作用。从某种意义上来说，电磁波的传播方向取决于材料的宏观几何结构和微观单元的排列方式。电磁波在任意两材料界面处都要经历折射现象，其折射角遵从Snell定律，其中n1和n2分别为两介质的折射率，θ1和θ2分别为入射角和折射角，折射光和入射光位于法线的两侧。几何光学遵照折射定律来进行光学系统设计。如果假定n2<0，按照上面的公式，就得到θ2

由于自然界中至今未发现天然存在的具有如此功能的材料，所以负折射现象听起来令人不可思议。折射现象是设计光学器件的最基本原理，如果负折射现象存在，将极大地影响现有的基本光学理论，扩大人类对光的认识，并为新型光学系统器件的设计等带来新的设计方法。

研究历史

早在1968年，前苏联物理学家V．G．Veselago就提出过左手化媒质(1efthandedmedium，LHM)的物理思想，该理论认为微波穿过LHM时将射向与Snell定律不同的方向，即发生了微波异常传播的现象。

所谓微波异常传播(anomalousmicrowavepropagation)的概念是美国Wisconsin州Marguetle大学G．C．Giakos和T．K，ishij于1991年提出的，内容是说测量了微波脉冲在自由空间和波导中的传播，发现有现象与传统理论不相符——认为与脉冲前沿相关的部分能量以相速(光速或超光速)传播，而传统上认为的“信号以群速传播”在实验中却观测不到。

论文发表后，国外有人发表不同意见，但是，“微波异常传播”一词却流传下来，用以描写实验中发现的一些反常现象。

2001年4月6日，美国著名刊物《Science》发表了题为“负折射率的实验证明”的论文。虽然此前已有报道，但由著名的科学刊物正式发表关于负折射率的文章尚属首次。

我们知道，自然界的一切物质的折射率均为正值(n>0)，从来不曾在已知材料中观察到负折射率(n<0)，因此美国科学家的新研究成果在学术界和新闻界都颇为轰动。

实验是在微波段(而非光频段)完成的，结果完全符合2000年初的预言：微波波束从样品中出来后，其方向与传统的Snell定律的叙述不同。

光学效应

倏逝波的放大

Pendry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，可是在负折射率材料中被放大了。倏逝波进入负折射介质后被放大的过程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。

通过负折介质可以减少光的损失，那么在对望远镜的自适应调节有更强的光源进行探测与调节。可以很大程度提高自适应调节的波前矫正。

超级透镜

由负折射的性质可知道，做出来的透镜和我们常见的透镜的作用是相反的。

传统的光学显微镜分辨率严重受Rayleigh衍射极限的限制。由于倏逝波衰减过快而不能到达成像面参与成像，只能在物点附近形成隐失场，即倏逝波成分所携带的物体信息被丢失掉了。传统光学透镜已经有很久的历史，其局限性是没有哪个透镜能够将光聚焦到一个比还要小的范围内，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。

Pendry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，波长越小，分辨率越高。

负折射材料

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。

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”。负折射率材料的主要特点是改变了光的传播方向。在负折射率介质中，由于相速度和群速度方向相反，即能量传播的方向和相位传播的方向相反，频移情况呈逆多普勒效应。

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。

研制

2001年加州大学的David Smith等人根据Pendry等人的建议，利用以铜为主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，并观察到了其中的反常折射定律。

负的介电常数可以由长金属导线阵列（the array of long metallic wires，ALMWs）这种结构获得。

负的磁导率可以由微型金属共振器，比如具有高磁化率的开口环形共振器（the split ring resonators ，SRRs）来获得。

负折射率材料应用

（1）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。

（2）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。

负折射率材料平板透镜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透镜。负折射率材料还有望解决高密度近场光存储遇到的光学分辨率极限问题，制作出存储容量比现有DVD高几个数量级的新型光学存储系统。

负折射实验证明

右图是测量装置，被测样品(棱镜)置于两块圆形铝板(直径30cM)之间，板距1．2cm。粗黑箭头表示来波方向和折射(按n>0)方向，检测器是用x频段波导连接的微波功率测量装置，实际上是用波导——同轴转换器及HP8756A型标量网络分析仪。微波波束从棱镜射出时，表面为折射界面(按Snell定律规定的角度方向)。现在把检测器安装在可旋转的架子上(1．5°步进)，这时试验人员就可以对RHM，LHM分别测量其接收电平与角度()的关系，并作比较。

下图1是取频率f=10．5GHz时接收电平与折射角的关系，为了方便，把两种样品的峰值电平都归一化为1。结果是，对于常规树料(RHM)的Teflon，峰值发生在27°处，对应n=1．40．1;对于LHM系统，峰值发生在-61°处，对应n=－2．7 0．1．可见，在LHM情况下、折射角与BHM相差88° (接近π/2即90度)．故在一定频率(满足LHM要求的频率)下，折射角按与Snell定律指示的不同方向偏转，呈现n<0。

下图2是折射率与频率的关系(蓝实线为Tenflon，黑实线为LHM)．当f=10．2—10，8GHz时，LHM处在负折射率频区，且高度色散性．总之，Veselago在32年前的预测得到了证明。

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