新型光电超材料的设计与合成+文献综述(2)
3.3 本章小结 20
结论 21
致谢 22
参考文献23
1 引言
光电超材料是一种人造材料，有着自然界中的物质没有的特殊性质，该材料是周期性的结构，它的磁导率μ与介电常数ε都是负数。随着纳米技术的不断进步，光电超材料的这种人造结构已经能够实现。光电超材料是由一个一个的单元结构周期排列形成的，它独特的物理性能是跟其结构单元的主要尺寸有一定的联系，人们可以改变单元的结构尺寸来调整材料主体的物理性能。光电超材料理念的提出扩大了经典的电磁理论的研究范围，它打破了人们经典的电磁理论概念，启迪人们在遵守规律的前提下可以人造获取独特物理性能的材料。
1.1 光电超材料背景及发展历史
光电超材料的研究最早是来自20世纪初期的研究人员们的一些猜测，他们认为在机械体系里或许会有相，群速度方向不同，并且相异的状态，这一情况是不是也可以出 现在光学系统中［１，２］，从而产生负折射现象［３］。苏联科学家Dmitriy在1957年首次提出，当材料的磁导率和介电常数同时为负值时，其群速度和相速度方向相反［４］。苏联的科学家Veselago在1968年第一次提出左手材料理念，也就是磁导率和介电常数同时为负值的一种特殊材料，并且非常系统地分析了左手材料所具有的不同于那些普通材料的物理性质，其中比如负的折射率效应、完美透镜效应、逆的多普勒效应、逆的切伦科夫效应等［５］。因为在这种的材料中，它们的电场分量、磁场分量和波矢量满足左手螺旋规则，故称其为左手材料 (Left-handed metamaterials)，也被称为负折射材料。
以上科学家的分析为光电超材料的发展奠定了理论基础，但是对光电超材料的研究却仍然停滞了约30年，因为自然界中并没有这种材料。停滞到了大概20世纪90年代，一位叫Pendry的英国物理学家的发现，才让许多研究者对这种超材料产生了兴趣。Pendry等人发现，利用周期排列的金属棒阵列结构（Rod阵列）能够于低频率的范围内实现类似于金属在高的频率范围内表现出负的介电常数［６，７］；并且用非磁性材料制成的周期性排列起来的开口谐振环（SRR）［８］会有负的磁导率。2000年，美国Smith教授等人依据Pendry的设计方法和思路，分析研究而且成功制造出了一种把开口谐振环（SRR）和金属棒按照一定的周期排列而成的材料，第一次实现了负折射率的现象［９］。Pendry教授和Smith教授两人的努力使得光电超材料这个新领域推广开来。在这个之后，世界各地的许多研究者开始加入左手性质材料的研究当中来，特别是针对具有负的折射率的超材料结构的研究，比如设计各式各样的渔网结构等［１０，１１］。不仅仅在电磁学中，同样在光学甚至医学等许多领域，光电超材料的奇特新奇的特性也被许多的研究者所使用。
1.2 光电超材料的分类
1.2.1 结构型
结构型的光电超材料主要分为双负结构与单负结构。单负结构在某个频率上只会有单一的负介电常数或者是单一的负磁导率，它和左手材料不同，因为电磁波是无法再单负结构的材料中进行传播的。双负结构则是介电常数和磁导率均为负的一种结构，经典的双负结构就是Smith教授提出的一种Smith结构材料。结构型的光电超材料是由单胞构成的，由于工作波长远大于单胞的尺寸，而且许多单胞组在一起就能具有一定的电磁特性，所以可以利用等效的磁导率以及等效的介电常数来对电磁波的状态进行描述。所以在要选择合适的尺寸，如果尺寸太大将会受到各向异性的影响，那么就无法用上面的东西进行描述。当Smith型左手材料被提出后，许多新型左手材料结构也不断地被设计出来。赵鹏设计出了类似H形状的左性材料［１2］，他的这种结构把电谐振和磁谐振集合在了一起，构造比较容易。Zhou也提出了一种双面的工型结构［１3］，有电磁波传播到结构中的时候，一个“工”型的结构可以生成谐振的效应，那么两个“工”型便有磁谐振效应生成［１４］。