· 148· 材料 导报 2003年 9月第 17卷专辑
负折射现象的研究进展
葛芳芳 王万录 刘高斌 刘亚静 胡江川
(重庆 大学 数理 学院 ，重庆 400044)
摘要 负折射现 象是一种崭新的现象，是上个世纪 6o年代理论预言，直到一年前被实验证明微波照射在左手
化 媒 质 (LHM)上 ，折射 方 向不 同于 Snell定律 所描 述的 。介绍 了这种 负折射现 象研 究的 最新 发展 。着重 于 LHM 的 人
工合 成 ，理论 解 释 以及 负折射 率 的实验 证 明等 几个 方 面 ，以便 进一 步开 展这 方 面的 工作 。
关键词 左手化媒质 负折射率 负折射现象 光子晶体
Advances in Research on Negative Reflection
GE Fangfang WANG Wan1u I IU Gaobin LIU Yajing HU Jiangchuan
(The Science Department，Chongqing University，Chongqing 400044)
Abstract Negative reflection is a new phenomenon，demonstrated in lab a year ago in which the propagating
direction of microwave incideng upon LHM does not comply with the Snell law．The paper reviews recent develop——
ments in research on negative reflection effect，especially the composition of LHM and theoretical explanation and ex—
perimental verification of this phenomenon．
Key words left hand material，negative reflection index，negative reflection phenomenon，photonic crystals
0 引言
1968年，前苏联科学家 V．G．Veselago断言_1]：平面电磁波
照射在一个同时具有 负介常数 E<0和负磁导率 <0(即折射
率为负值 n
表
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示了左手化媒质的折射成像 的光路图
。
一 p／ ＼p
p＼ ／p
图 4 正负折射率的媒质
构成敞开的腔
由于 自然界所有 已知 的材料 中还没观察到反常的折射现
象。V-G·Veselago的预言没有得到实验 的证明。但人们始终没
有放弃寻找和合成 LHM。近几年 ，在周期性排列的人工电介质
材料中观察到反常的折射现象。
1996年，Pendry等发现 间接和半径合适的二维导电金属丝
阵列和中性等离子体有相 同的电磁效应 ，即在 电离层频率内介
葛芳芳 ：女 ，24岁，硕士研究生，主要从事于材料物理 的研 究 E-mail： an1u @cqu
． edu．cn
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负折射 现象的研 究进展／葛芳芳等 ·149·
电常数为负(￡0)方 向。现把检测器装在可旋转的架=产上
(1．5。步进)这 时就可以对 RHM 和 LHM 分别 测量其接受 电平
和角度 (0)的关系。图 7表示了 f一10．56GHz时常规材料 Teflon
和 LHM 的接受功率归一化值与折射率的关系 。比较这两种材
料 ，我们可 以发现 LHM 系统 ，峰 值发生在 一61。，n一一2．7士
0．1；而 Teflon峰值为 27。．n一1．4±0．1。这就验证了 UCSD研
究小组所合成的材料就是左手化媒质。
酗耙∞ 辩黎臻嗣 l》蟹r
图 6 验证实验装置示意图
9O1 HWD NIM
WEDGE
TEFLON
W EDGE
瞄瞄
图 7 计算模拟光在 LHM 睡 TEFLON的传播过程
C．G．Parazzdi等用计算机模拟 了 LHM 和 RHM 中的传播
过程 ]。从图 8可以发现 ，f一12．6GHz，LHM 和 Teflon的棱镜
锲角均为 32．19。，折射角分别为一34．O。和 48．2。，对应 的 n分别
为 1．05和 1．4。
图 8 接受功率归一值与折值角的关系
5 研究现状和方向
上述 LHM 是周期性排列的人工 电介质 ，也称光子晶体。国
内基本上可以说是还没有专门从事这方面的研究 ，国外对此现
象理论解释的有 ：Dowling用一维 Kronig—Penney模型得到一
维光子晶体中存在反常折射现象l】 ；Enoch等根据有效介 电常
数随波长 的变化关系预测反常折 射现 象的存在 ]；Felbacq等
用一维光子晶体的能带结构解释反常折射现象 l24_；Gralak等
用传输矩阵方法计算了二维正方格子光子晶体的色散关系 ，和
Dowling一样也计算得到 了小于 1的折射率 ，甚至得到 了负的
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· 150· 材料 导报 2003年 9月第 17卷专辑
折射率_1 ；Motom把半导体材料 中的电子能带与光子晶体 中
的光子能带作类 比，解释在光子带隙上方有效折射率为正，光子
带 隙下 方有 效 折 射率 为 负 4 ；Pentry等 计 算模 拟 了 光子 能
带l1 。 。但还存在着一系列的问题 。负折射会引起多普勒迁移
和切伦科夫辐射的反向等物理现象。负折射现象会违反一些物
理定律吗?它与布拉格反射波 ，表面波是什么关系?存在超光速 ，
负群速吗?这些问题还有待进一步研究和探讨 。
新的发现往往会带来新的应用前景。很多科学家提 出负折
射材料可能能广泛地应用于生活生产中。Pendry等提出负折射
晶体可 以制成棱镜 ，聚光性能是普通棱镜不可 比拟的￡s]。美国
Sandia国家实验室的 Lin等发现二维三角排列的光子晶体对于
波长变化极为敏感，并且体积小和质量轻 ，可 以用于微型的分光
仪和波分复用／解复用器 日本用 自组织方式制备出三维光
子晶体 ，在某些波段对入射光波长和入射光角度很敏感，也可 以
制成密集波分复用／解复用器0。 。负折射晶体还可 以用于提
高耦合器 ，开关 ，天线等的性能 。但 目前这仅仅是理论 ，实验还未
制出成品。并且这种左手化媒质还 只是在实验室合成 ，投入生产
还有许多技术需要解决。
4 结束语
负折射现象是人们 以前从未观察到一种崭新 的现象 。新的
发现往往会带来很大的应用前景 。尽管负折射现象还只是处于
理论和实验阶段，但它独特 的性质会在新型材料器件中有巨大
的应用潜力。总之 ，负折射现象的研究刚刚起步 ，还有很多的理
论和应用工作需要深入 。
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