含颗粒球负折射材料的辐射吸收能量分析(2)
象。但自然界中不存在这种性质特异的物质，故在该理论提出的近 30 内左手材
料发展几乎处于停滞状态。20 世纪 90 年代,随着人工周期性材料的发展,英国
皇家学院院士 Pendry[2]
教授重新开始了该领域研究。构造出了由周期排列的细
金属棒阵列和金属谐振环（SRR）组成的人造媒质[3]
，其等效介电常数和等效磁
导率在微波波段分别为负值。2001 年Smith 等[4]
根据Pendry 的理论模型,首次
制备出微波段具有负介电常数、负磁导率材料,并通过实验观察到了负折射现象，
这是首次从实验上证明了左手材料的存在，这就是著名的“棱镜实验[5]
”随后左
手材料研究取得重大突破,并被 Science 杂志评为 2003 年度十大科技进展之一。
1.1 负折射材料的理论根源
在自然物质中，折射光线总是与入射光线分别位于法线的两侧。然而近几年
的研究工作证实，某些奇异的材料能够使光线向相反的方向折射，这种奇异的材
料即为“负折射率材料”（图 1-1）。光线从普通材料斜入射到具有负折射率系
数的材料上时，折射光线并不向法线另一边偏折，而是向着与入射光线同一边的
方向偏折。图1-1 中光线 1 为入射光，光线 2 为反射光，光线4 为正常材料中的
折射光，光线3 为左手材料中的反射光。 负折射使得以左手材料制成的透镜对光线的作用完全相反于通常的透镜对
光线的作用（图1-2）。
图1-2左手材料透镜光路示意图
在光学中，一种材料的光学密度量一般为该材料的折射率，定义为：
n=c/v
式（1.1）里 c 是真空中的光的速度，v 是介质中平面电磁波的速度。电磁波在
材料中传播的行为都是由介电常数 与磁导率 来决定的，在各向同性的的均匀材
料中，单一频率波的相位常数 K与角频率 的关系为
式中n——材料折射率，其表达式为 （1.3）
当材料无耗损时，即 n、 和 都是正实数时，可发现在 和 同时变号的条件
下，式（1.2）（1.3）没有任何改变。我们知道常用的光学材料 和 都是正的，
因此n=√ 也是正的。 但在若介电常数 和磁导率 均为负值， √ 仍然有实数解，
此时负的平方根n= √ 应该被选择。 在过去我们所熟悉的材料里，折射率都是正值，本论文中将这样的材料称之
为“右手材料”。由电磁场的 Maxwell方程，对于单色平面电磁波有：
由式（1.4）容易看出入射电磁波的电场 E、磁场 H和波矢k三者构成右手螺
旋正交关系。但是在折射率为负值的“左手材料”中，由于磁导率μ和介电常数
ε为负值，电磁波的电场、磁场和波矢量却构成左手螺旋正交关系，这正是这种
材料被称之为“左手材料”的原因。
我们知道介电常数 及磁导率 是用于描述物质电磁性质的基本物理量，它们
决定了电磁波在物质中的传播特性。在人们以往认识的自然界所存在的媒质中，
它们大都是大于零的。但理论上，在某种情况下也存在介电常数和磁导率小于零
的媒质（如等离子体）。早在 1968 年，前苏联物理学家 V.G.Veselago 详细研究
了电磁波在介电常数和磁导率同时为负值的假想媒质的传播特性[6,7]
，并根据麦
克斯韦方程发现电磁波相位传播方向与能量的传播相反，并预测了一系列不同寻
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