負折射

負折射（Negative refraction）是俄國科學家Veselago 在1968 年提出的，指當光波從具有正折射率的材料入射到具有負折射率材料的界面時，光波的折射與常規折射相反，入射波和折射波處在於界面法線方向同一側。直到本世紀初這種具有負折射率的材料才被製備出來。這種材料由金屬線和非閉合金屬環周期排列構成，也被稱為metamaterial。在這種材料中，電場、磁場和波矢方向遵守“左手”法則，而非常規材料中的“右手”法則。因此，這種具有負折射率的材料也被稱為左手材料，光波在其中傳播時，能流方向與波矢方向相反。

基本介紹

• 中文名：負折射
• 外文名：Negative refraction
• 提出人物：Veselago （俄國）
• 提出時間：1968
• 套用：軍事隱形技術、超靈敏探測儀器

簡介

大多數電磁現象都來源於電磁波和材料的相互作用。從某種意義上來說，電磁波的傳播方向取決於材料的巨觀幾何結構和微觀單元的排列方式。電磁波在任意兩材料界面處都要經歷折射現象，其折射角遵從Snell定律 ，其中n₁和n₂分別為兩介質的折射率，θ₁和θ₂分別為入射角和折射角，折射光和入射光位於法線的兩側。幾何光學遵照折射定律來進行光學系統設計。如果假定n2<0，按照上面的公式，就得到θ₂<o，這意味著折射光線與入射光線位於法線的同側，這種異於常規的折射現象稱作負折射。

由於自然界中至今未發現天然存在的具有如此功能的材料，所以負折射現象聽起來令人不可思議。折射現象是設計光學器件的最基本原理，如果負折射現象存在，將極大地影響現有的基本光學理論，擴大人類對光的認識，並為新型光學系統器件的設計等帶來新的設計方法。

研究歷史

早在1968年，前蘇聯物理學家V．G．Veselago就提出過左手化媒質(1efthandedmedium，LHM)的物理思想，該理論認為微波穿過LHM時將射向與Snell定律不同的方向，即發生了微波異常傳播的現象。

所謂微波異常傳播(anomalousmicrowavepropagation)的概念是美國Wisconsin州Marguetle大學G．C．Giakos和T．K，ishij於1991年提出的，內容是說測量了微波脈衝在自由空間和波導中的傳播，發現有現象與傳統理論不相符——認為與脈衝前沿相關的部分能量以相速(光速或超光速)傳播，而傳統上認為的“信號以群速傳播”在實驗中卻觀測不到。

論文發表後，國外有人發表不同意見，但是，“微波異常傳播”一詞卻流傳下來，用以描寫實驗中發現的一些反常現象。

2001年4月6日，美國著名刊物《Science》發表了題為“負折射率的實驗證明”的論文。雖然此前已有報導，但由著名的科學刊物正式發表關於負折射率的文章尚屬首次。

我們知道，自然界的一切物質的折射率均為正值(n>0)，從來不曾在已知材料中觀察到負折射率(n<0)，因此美國科學家的新研究成果在學術界和新聞界都頗為轟動。

實驗是在微波段(而非光頻段)完成的，結果完全符合2000年初的預言：微波波束從樣品中出來後，其方向與傳統的Snell定律的敘述不同。

光學效應

倏逝波的放大

Pendry指出：在正折射率介質中指數衰減的倏逝波進入負折射率介質後隨即增長。Zhang等人的研究也發現負折射率材料能極大地增強光子隧道效應。這些理論研究都是在負折射率介質沒有任何損耗的情況下提出來的。眾所周知，任何介質都不可避免地帶有損耗和色散等性質，可是在負折射率材料中被放大了。倏逝波進入負折射介質後被放大的過程是光子隧道效應的結果，這主要是因為在該介質中，能量的轉移主要依賴於光子隧道效應。其原理是：在兩種正折射介質中增加負折射率介質，當前面兩種介質之間的勢能不是足夠低，也就是說當勢阱寬度不小于波長 時，光束穿過前兩種介質進入後一種介質時，就會發生隧道效應。

通過負折介質可以減少光的損失，那么在對望遠鏡的自適應調節有更強的光源進行探測與調節。可以很大程度提高自適應調節的波前矯正。

超級透鏡

由負折射的性質可知道，做出來的透鏡和我們常見的透鏡的作用是相反的。

傳統的光學顯微鏡解析度嚴重受Rayleigh衍射極限的限制。由於倏逝波衰減過快而不能到達成像面參與成像，只能在物點附近形成隱失場，即倏逝波成分所攜帶的物體信息被丟失掉了。傳統光學透鏡已經有很久的歷史，其局限性是沒有哪個透鏡能夠將光聚焦到一個比 還要小的範圍內，所以，傳統的光學透鏡要受到光波長的限制。自從負折射率材料出現以後．一些關於負折射率材料方面的套用也有所突破。

Pendry從傳統光學透鏡的理論推導著手，模擬了負折射光學透鏡的可能性原理。他認為傳統的光學透鏡只適應於縱向波矢，而無法對橫向波矢進行研究，因為，橫向波矢的衰減太嚴重，而體現物質光學傳輸特性的傳輸波幾乎都在橫向波矢(衰減波)裡面，要對這些傳輸波進行研究，就得找新型材料，負折射材料自然而然成為了大家關注的對象。

Pendry對負折射材料的傳播特性進行了嚴格的因果推算，得到：負折射材料確實可以增強衰減波的振幅，修復衰減波的相位，因此這種具有傳播和增強衰減波性能的材料可以提高成像解析度。如果用負折射材料製成超透鏡，那么這樣的透鏡就有幾個重要的優點：

(1)由於沒有光學軸，因此不需要精確的佇列。

(2)平行厚板代替曲線形狀，其結構更簡單。

(3)當給定超透鏡的結構和光束的波長後，超透鏡的解析度就透鏡的表面周長和光束的波長限制了，波長越小，解析度越高。

負折射材料

負折射率材料(NIMs，Negative index materi—als)是指一種介電常數e和磁導率同時為負值的材料，具有負群速度、負折射效應、逆都卜勒效應、逆切侖科夫輻射、理想成像等異常的物理性質。這種被稱為負折射率材料(“左手材料”)的人工複合材料在固體物理、材料科學、光學和套用電磁學領域內開始獲得愈來愈廣泛的青睞，對其的研究正呈現迅速發展之勢。負折射率材料的這些異常特性，使其在固體物理、材料科學、光學和套用電磁學領域獲得愈來愈廣泛的青睞，世界各國對其的研究正呈現迅速發展之勢。到目前為止，負折射率材料已經在微波、太赫茲波、紅外以及可見光波段被證實，並已經開始進行套用領域的研究與探索。

異常的物理性質

負折射是負折射率材料表現出來的最大特性，也是當今對負折射率材料套用研究的一個主要方向。自然界中，當入射光線穿過兩種介質界面時會發生反射和折射現象，這種現象稱為“正折射”。負折射率材料的主要特點是改變了光的傳播方向。在負折射率介質中，由於相速度和群速度方向相反，即能量傳播的方向和相位傳播的方向相反，頻移情況呈逆都卜勒效應。

在真空中勻速運動的帶電粒子不產生輻射電磁波，而當帶電粒子在介質中勻速運動時會在其周圍引起誘導電流，從而在其路徑上形成一系列次波源發出次波。粒子速度超過介質中光速時，這些次波互相干涉，從而輻射出電磁波，稱為Cerenkov輻射。普通介質中，干涉後形成的波前是一個錐面，電磁波能量沿錐面的法線方向向前輻射出去。而在負折射率介質中，能量的傳播方向與相速相反，輻射將背向粒子的運動方向發出，形成逆Cerenkov輻射。

研製

2001年加州大學的David Smith等人根據Pendry等人的建議，利用以銅為主的複合材料首次製造出在微波波段具有負介電常數、負磁導率的物質，並觀察到了其中的反常折射定律。

負的介電常數可以由長金屬導線陣列（the array of long metallic wires，ALMWs）這種結構獲得。

負的磁導率可以由微型金屬共振器，比如具有高磁化率的開口環形共振器（the split ring resonators ，SRRs）來獲得 。

負折射率材料套用

（1）軍事隱形技術方面的套用

往往最先進的技術總是會在軍事方面最先嶄露頭角，隨著電子技術的飛速發展，未來戰場的各種武器系統面臨著嚴峻的威脅，隱身技術作為提高武器系統生存能力的有效手段，受到世界各國的高度重視，一直是各國科學家致力於研究的一個重要方向隱身技術是通過控制武器系統或作戰平台的信號特徵，使其難以被發現、識別和跟蹤打擊的技術。目前各國的隱身技術，主要是利用各種吸波、透波材料實現對雷達的隱形；採用紅外遮擋與衰減裝置、塗敷材料等降低紅外輻射強度，實現對紅外探測器的隱身；在可見光隱形上，只是靠塗抹迷彩或歪曲兵器的外形等初級的方法。

負折射率材料在其特性頻帶範圍內對電磁波有較高的傳輸，即實現電磁波從原來的禁帶到導帶的轉變，可以有效地降低特定頻帶範圍的電磁波反射。利用負折射率材料製造的武器系統或作戰平台可以將光線或雷達波反向散射出去，使得從正面接收不到反射的光線或電磁波，從而在技術上實現武器系統或作戰平台真正意義上的隱身。

（2）負折射率材料在超靈敏探測儀器中的套用

顯微鏡、放大鏡等光學器件的製造一直被一條光學規律所限制：無論光學儀器的鏡片多么精良，任何小於光的一個波長長度的物質都是無法觀察到的。利用負折射率材料製成的透鏡卻能克服這個問題，製作成“理想”透鏡引，它不僅和常規的介質一樣能會聚行波，而且還能聚焦隨距離增加快速衰減的衰減波。一般會聚透鏡的工作原理是將透鏡一側的光源通過具有一定曲度的材料將光源的圖像重新會聚於透鏡的另一側，根據Snell定律，一般透鏡的解析度都受限於物體表面輻射源所散射出的消散波的損失，其值隨著垂直表面的距離作指數衰減，在成像時，這些隨距離消散的波相位將損失掉，而產生相差，這也是普通介質透鏡無法克服的問題。

負折射率材料平板透鏡所有點波源發散的波都會重新會聚到平板介質中的某一點，相位不會有部分遺失。根據Fresnel定律可以驗證，入射板狀結構負折射率材料的電磁波對於消散場的衰減可被抵消掉，即電磁波的振幅經介質後仍能調回原振幅，使得橫向波的相位不因振幅衰減而失真，從而突破了一般透鏡成像的極限。利用負折射率材料的理想透鏡特點，製作微型分光儀、超靈敏單分子探測器、磁共振成像設備及新型的光學器件，可用於進行具有危險性的生物化學藥劑探測、微量污染探測、生物安全成像、生物分子指紋識別，以及遙感、惡劣天氣條件下的導航等。另外利用負折射率材料負折射和倏逝波放大特性，可以製作集成光路里的光引導元件，有望製作出解析度比常規光學透鏡高几百倍的扁平光學透鏡。負折射率材料還有望解決高密度近場光存儲遇到的光學解析度極限問題，製作出存儲容量比現有DVD高几個數量級的新型光學存儲系統。

負折射實驗證明

右圖是測量裝置，被測樣品(稜鏡)置於兩塊圓形鋁板(直徑30cM)之間，板距1．2cm。粗黑箭頭表示來波方向和折射(按n>0)方向，檢測器是用x頻段波導連線的微波功率測量裝置，實際上是用波導——同軸轉換器及HP8756A型標量網路分析儀。微波波束從稜鏡射出時，表面為折射界面(按Snell定律規定的角度方向)。現在把檢測器安裝在可旋轉的架子上(1．5°步進)，這時試驗人員就可以對RHM，LHM分別測量其接收電平與角度()的關係，並作比較。

負折射率測量裝置

下圖1是取頻率f=10．5GHz時接收電平 與折射角的關係，為了方便，把兩種樣品的峰值電平都歸一化為1。結果是，對於常規樹料(RHM)的Teflon，峰值發生在27°處，對應n=1．40．1;對於LHM系統，峰值發生在-61°處，對應n=－2．7 0．1．可見，在LHM情況下、折射角與BHM相差88° (接近π/2即90度)．故在一定頻率(滿足LHM要求的頻率)下，折射角按與Snell定律指示的不同方向偏轉，呈現n<0。

下圖2是折射率與頻率的關係(藍實線為Tenflon，黑實線為LHM)．當f=10．2—10，8GHz時，LHM處在負折射率頻區，且高度色散性．總之，Veselago在32年前的預測得到了證明。

負折射實驗證明（圖1）

負折射實驗證明（圖2）