超材料和变换光学VIP专享VIP免费

由「超材料」到「变换光学」的发展简史与基本原理 「超材料」(Metamaterial) 并不是一个定义得很清楚的术语,其中的字根 "meta" 意指「超越」,相当於英文的 "beyond".一般而言,此一术语意指一些特别设计的人工结构,能像均匀材料那样对电磁场(波)或声波,弹性波反应 (response),但却具有天然材料所没有的反应特性 [1].这些特性包括:高频人工磁性 (artificial magnetism) [2], 负磁导率 (negative permeability) [3], 负折射指数 (negative index of refraction) [4], 以及双曲型色散关系 (hyperbolic dispersion) [5,6] 等.这些有趣的特性导致一些迷 人 的 现 象 , 例 如 负 折 射 (negative refraction) [7], 次 波 长 成 像 (subwavelength imaging) [8], 电磁场增益 (field enhancement) [9], 以及近场—远场转换 (near-to-far field conversion) [5,6] 等.根据这些现象,在过去数年已有许多新颖的元件被设计与制作出来,并已被测试.例如超透镜 (superlens) [8,10], 双曲透镜 (hyperlens) [6], 工作频率在微波频段的隐 形 斗 篷 (invisibility cloak) [11], 以 及 电 浆 子 波 导 (plasmonic waveguide) [12] 等.这些工作显示了超材料研究在微波与光波研究方面都有很好的理论与应用前景. 研究超材料的最初目的主要是为了创造一种具有很强的高频磁响应 (strong magnetic response at high frequency) 特性的人工材料或结构 [2].当这个目的实现后,研究人员又成功的设计并制作了能同时具有等效负磁导率与负介电常数 (negative permittivity) [13] 的周期性金属结构.此种「双负」(double negative, or DNG) 材料会具有等效的负折射率 [3,4],因而可以具体实现 V. G. Veselago 在 40 年前 [7] 就预测过的「把光折向错误的方向」(bending light the wrong way)—亦即负折射现象. 在 2000 年,英国Imperial College 的 John B. Pendry 教授更进一步指出:一块具有负介电常数与负磁导率的平板材料不只可以将传导波 (propagating waves) 「折向错误的方向」,甚至还可以放大消逝波 (evanescent waves) [8].当平板的 与 值都非常接近 的时候,平板与真空的电磁阻抗值 (electromagnetic impedance) 几乎相等,所以此平板将不反 射电磁波. 另 一方面 , 与 值 都 非 常接 近 也 表 示 与 的虚 部 (imaginary par...