基于四扇形超材料的电磁吸收特性研究(3)
图1.1首个负折射率材料的结构
现在，在超材料研究领域有两个研究方向最受关注。其中一条研究路线是利用超材料作为传统微波组件的加感材料[6-8]，比如加感线圈和天线。通过在微波组件中合理运用超材料，就能获得特异的属性，从而突破普通组件的主要限制，为实现具有改良性能的超紧凑设备提供了可能。在此，关键的一点是超材料并没有代表微波领域的新技术，而是对现有技术革新的一个新的思路。其实大部分超材料的样品在微波波段得以实现，都是以完善的印刷电路技术为基础的。
然而，另一条研究路线致力于将在微波波段发现的新的特性延伸到光学领域，从而得以应用。与微波段所呈现的情况相比，在这一框架中，制作材料的新的推动力是由纳米技术提供的，在具备较为完善的纳米技术条件时，就可以相对简单地制作得到纳米结构[9-15]。不管在具体应用时所处的频段在哪，我们都可以将超材料这种由夹层在基质材料上通过合适的空间排布而组成的人工有效材料应用于这一领域。在制作中，它的成分、校准、密度以及夹层的几何形状，还有基质材料的本构参数，都决定着超材料的宏观响应[16]。这些自由度使得设计出的超材料拥有一些可控的电磁特性。然而，值得注意的是，为了用宏观本构参数来描述超材料的原理，夹层的间隔尺寸也在特定的频率消失。因此，对超材料的本构参数进行合理定义时，必须使得夹层尺寸和夹层间隔都必须具有电小尺寸[17]。这种要求让我们必须将超材料与其他人工材料的概念区分开来，比如说电磁带隙材料，它常常与超材料混淆起来了。因为在这种材料中，那些常常用于描述超材料电磁特性的宏观本构参数，如介电常数、磁导率和折射率并不能被定义。
自从超材料的独特特性从实验与理论两方面得到证明与展示，研究者对于这一主题的研究就有了飞速的发展。超材料可以在不同的电磁波段提供高度可控的电磁响应，并且，至今为止它已在许多与光谱技术相关的领域得到展示，比如光波段、近红外、中红外、太赫兹、毫米波、微波和无线电波波段。
1.2超材料的分类及原理
超材料的特性是由复数表示的介电常数 和磁导率 体现出来的。从麦克斯韦方程组出发，可以较好地认识它们：
(1-1)
式中 是自由电荷密度； 是传导电流密度； 代表位移电流密度。对于自由空间，有如下关系：
(1-2)
对静止的各向同性介质，有：
(1-3)
如果考虑的是线性各向同性和均匀介质，并假设介质中有传导电流存在，而且电磁场是时谐的，则将各向同性介质的参量代入麦克斯韦方程组可以得到：
对于无损耗( )的无源介质，求解如上方程，可以得到：
根据 和 的取值正负，可以将材料分为以下这几种,如图1.2[18]：负介电常数(ENG)材料[19]、负磁导率(MNG)材料[19]、双正(DPS)材料[19]、双负(DNG)材料。
第一种是 且 ，即表示自然界中的常规电介质材料，由方程(1-6)和(1-7)可以看出波矢 与 、 满足右手螺旋法则。又因为 ，所以波矢方向与能流方向一致。
第二种是 而 ，或者 而 的状况，此时 ， 无实数解，因此电磁波不能在其中传播，入射到这种介质表面上的电磁波将会被全部反射。这两种类型的介质统称为单负型介质。