2017年7月 安徽大学学报（自然科学版） Jy2017 第41卷第4期 Joural of Anhui University (Natural Science Edition) Vol.41 No.4 di:10.3969/1.issm.1000-2162.2017.04.005 电磁超材料与增益材料研究现状与进展 牛凯坤，徐辉，朱东，黄志祥*，吴先良 (安徽大学计算智能与信号处理教育部重点实验室，安徵合肥230039 摘要：电磁超材料是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料，具有广 的应用前茶.目前，电磁超材料实际设计中出现的窄带宽和高损耗等问：限制了其进一步的应用.对于电码 超材料中贵金属结构的损耗，通过引入增益材料可降低甚至完全补其损耗.该文首先回顺超材料的历史》 展过程，介绍其国内外的研究现状：然后归钠超材料在发展过程中遇到的间题，若重介绍如何通过引入增益 材料来弥补超材料中的金属损耗. 关维词：增益材料：超材料：欧姆损耗 中图分类号：TN721.1;TN241 文献标志码：A 文章编号：1000一2162(2017104-002410 Recent progress and future development of metamaterial and gain material NIU Kaikun,XU Hui,ZHU Dong,HUANG Zhixiang",WU Xianliang Key Laboratory of Intelligent Computing and Signal Processing.Ministry of Education Anhui University.Hefei 230039.China) Abstract:Electromagnetic metamaterial is a kind of new material which does not exist in nature.However,the metamaterials made by artificial recombination have many excellent physical properties which are not possessed by the copventional materials The wid sptieatioi prospect ha sed attent around the e world. ver. due to th narrow bandwidth and high loss of metamaterials,some metamaterials are difficult to be used in practical applications.The introduction of gain materials to overcome or even compensate the ohmic loss of metals is becoming more and more important in the field of electromagnetic metamaterials.Because of the import tant role of gain materials in th application of metamaterials,it has become a hotspot in recent years.In this paper,the history of metamaterials development was summarized,and the research status of the metamaterials at home and abroad was analyzed.The scholars who had made outstanding contributions in the development of metamaterials were introduced.Then the difficulties of metamaterials were the os which was cud by metal in metamaterials oud be compensated by the introduction of gain media.The influential work in the field of gain materials was described,and their representative works were cited to help scientists gain 学科点专项基金助项目(20123401110009 安徽 作者简介：牛坤1992，里 肥东人，安徽大学博士研究生；黄志样（道信作者），安微大学教授，博士生导师，博 士，E-mail zxhuang@ahu.cdu.cn. 1994-2018 China Academic Joural Electronic Publishing House.All rights reserved http://www.cnki.ne
２０１７年７月 第４１卷第４期 安徽大学学报（自然科学版） ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｎｈｕｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ） Ｊｕｌｙ２０１７ Ｖｏｌ．４１Ｎｏ．４ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－２１６２．２０１７．０４．００５ 收稿日期：２０１７－０３－０６ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１２７７００１，６１４７１００１）；教育部博士学科点专项基金资助项目（２０１２３４０１１１０００９）； 安徽省自然科学基金资助项目（２０１３ＳＱＲＬ０６５ＺＤ，１５０８０８５ＪＧＤ０３，１５０８０８５ＱＦ１３０）；教 育 部 新 世 纪 优 秀 人 才 支持计划资助项目（ＮＣＥＴ－１２－０５９６） 作者简介：牛凯坤（１９９２－），男，安徽肥东人，安徽大学博士研究生；＊黄志祥（通信作者），安徽大学教授，博士生导师，博 士，Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｘｈｕａｎｇ＠ａｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎ． 电磁超材料与增益材料研究现状与进展 牛凯坤，徐 辉，朱 东，黄志祥＊ ，吴先良 （安徽大学 计算智能与信号处理教育部重点实验室，安徽 合肥 ２３００３９） 摘 要：电磁超材料是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料，具有广阔 的应用前景．目前，电磁超材料实际设计中出现的窄带宽和高损耗等问题，限制了其进一步的应用．对 于 电 磁 超材料中贵金属结构的损耗，通过引入增益材料可降低甚至完全补偿其损耗．该文首先回顾超材料的历史发 展过程，介绍其国内外的研究现状；然后归纳超材料在发展过程中遇到的问题，着重介绍如何通过引入增益 材料来弥补超材料中的金属损耗． 关键词：增益材料；超材料；欧姆损耗 中图分类号：ＴＮ７２１．１；ＴＮ２４１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１０００－２１６２（２０１７）０４－００２４－１０ Ｒｅｃｅｎｔｐｒｏｇｒｅｓｓａｎｄｆｕｔｕｒｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌａｎｄｇａｉｎｍａｔｅｒｉａｌ ＮＩＵ Ｋａｉｋｕｎ，ＸＵ Ｈｕｉ，ＺＨＵ Ｄｏｎｇ，ＨＵＡＮＧＺｈｉｘｉａｎｇ＊ ，ＷＵ Ｘｉａｎｌｉａｎｇ （ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＣｏｍｐｕｔｉｎｇａｎｄＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ， ＡｎｈｕｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｅｆｅｉ２３００３９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｉｓａｋｉｎｄｏｆｎｅｗ ｍａｔｅｒｉａｌｗｈｉｃｈｄｏｅｓｎｏｔｅｘｉｓｔｉｎ ｎａｔｕｒｅ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓｍａｄｅｂｙａｒｔｉｆｉｃｉａｌｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｈａｖｅｍａｎｙｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｎｏｔ ｐｏｓｓｅｓｓｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｔｈｅ ｗｉｄｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｓｐｅｃｔｈａｓａｒｏｕｓｅｄ ｗｉｄｅａｔｔｅｎｔｉｏｎａｒｏｕｎｄｔｈｅ ｗｏｒｌｄ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｄｕｅｔｏｔｈｅ ｎａｒｒｏｗ ｂａｎｄｗｉｄｔｈａｎｄｈｉｇｈｌｏｓｓｏｆｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｓｏｍｅ ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓａｒｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏｂｅ ｕｓｅｄｉｎ ｐｒａｃｔｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆｇａｉｎ ｍａｔｅｒｉａｌｓｔｏ ｏｖｅｒｃｏｍｅｏｒｅｖｅｎ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｔｈｅｏｈｍｉｃｌｏｓｓｏｆｍｅｔａｌｓｉｓｂｅｃｏｍｉｎｇ ｍｏｒｅａｎｄ ｍｏｒｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅ ｏｆｇａｉｎ ｍａｔｅｒｉａｌｓｉｎｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｉｔｈａｓｂｅｃｏｍｅａｈｏｔｓｐｏｔｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｈｉｓｔｏｒｙｏｆ ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｗａｓｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ，ａｎｄｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓｏｆｔｈｅ ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓａｔｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄｗａｓａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｓｃｈｏｌａｒｓｗｈｏｈａｄ ｍａｄｅｏｕｔｓｔａｎｄｉｎｇ ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｉｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｎｔｈｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓｏｆ ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓｗｅｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ，ｔｈｅｌｏｓｓｗｈｉｃｈｗａｓｃａｕｓｅｄｂｙｍｅｔａｌｉｎｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓｃｏｕｌｄ ｂｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄｂｙｔｈｅｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｇａｉｎｍｅｄｉａ．Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｔｉａｌｗｏｒｋｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｇａｉｎ ｍａｔｅｒｉａｌｓｗａｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄ，ａｎｄｔｈｅｉｒｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅｗｏｒｋｓｗｅｒｅｃｉｔｅｄｔｏｈｅｌｐｓｃｉｅｎｔｉｓｔｓｇａｉｎ
第4期 牛凯坤，等：电磁超材料与增益材料研究现状与进展 insight into development and research trends of gain materials Keywords:gain material:metamaterial:ohmic loss 近年来，研究人员对电磁超材料(elecro nagnetic metamaterials)产生了浓厚的兴趣.从狭义上讲 电磁超材料指的是左手材料（双负介质）和单负介质（负介电常数或负磁导率介质），该材料的单元周期 常数a远远小于入射电磁波的波长（入>>a).从广义上讲，超材料是一种具有天然常规介质所不具备 的超常物理特性的人工复合材料超材料除了左手材料、单负介质外，还包括光子品体等复合结构材料 超材料有3个重要特征：具有特殊人工结构，具有超常的物理性质，电磁性质取决于构成材料的人工 构而不是其本征性质绝大多数电磁超材料的结构包含金属结构，由于金属纳米结构具有很强的光吸收 能力，使其欧姆损耗过大，此损耗在光波和近红外波段显得尤其突出实际损耗的存在使得很多电磁超 材料在光被和近红外波段的应用（如完美成像、隐身农等）被认为是不切实际的，除非能降低甚至补偿其 损耗的能量因此，如何有效降低甚至补偿金属纳米结构的损耗已成为电磁超材料及等离子效应研究的 热点[习，解决问题的方法有：采用特殊的低损耗合金(a1Oys)、调整电磁超材料的几何结构等，上述两种 方法补偿超材料欧姆损耗的效果不能令人满意，最有新意且最有效的思路是引入 一种能提供光增益 (gai)的媒质来补偿金属的损耗.增益媒质即为光学放大介质，早期的学者为了引入增益，提出了负电 导率介质方法，但该方法在理论上不自洽，无法准确地描述粒子与电磁场相互作用的动态演变.近年来 学者们提出了使用四能级激光系统来描述增益材料，通过速率方程可自治模拟整个系统的祸合，准确有 效该文首先回顾超材料的历史发展过程，介绍其国内外研究现状：然后归纳超材料在发展过程中遇到 的问题，若重介绍实验以及理论上如何通过引入增益材料米弥补超材料中的金属损耗。 1电磁超材料 最初的电磁超材料理论及实验研究主要是针对左手材料展开的，左手材料四(left hand material) 是指介电常数和磁导率同时为负的介质，它具有很多超常的物理特性，如相速与群速方向相反、负折射 率、反常Doppler 效应、反常( ov辐射效应等Lam四是最早对左手材料开展研究的科学家，早在 19O4年他就意识到了后向被的存在，随后Mandelshtam，Sivukhin),Veselago)等对这种介质也进 行了研究.前苏联科学家Veselago是首次从理论上系统研究左手材料电磁特性的学者，1968年，他发玩 介电常数：和磁导率：都为负值的物质与常规材料相比有不同的电磁性质，同时还指出当平面电磁波 照射这种物质时，会发生异常的折射现象，由于这种介质自然界中并不存在，使得他对左手材料没有进 行实验上的研究，仅仅停留在理论上.这种介质与常规介质有着不同的电磁特性，电磁波在其中传播时 其波矢k,电场E,磁场H满足左手定则，而不满足于熟知的右手定则，相速度的方向与能流方向相反 因此V©selago把它定义为左手材料.由于左手材料具有上述特性，其折射率”一定是负值，这种具有负 的折射率的材料又称为负折射媒质(negative index material,简称NIM).当电磁波射向正折射帝媒质 (positive index material,简称PIM)与负折射率媒质交界面时，折射波与入射波位于法线的同侧，如图1 所示 Energy flow 图1电磁波射向正折射率媒质与负折射率煤质交界面时的反射与折射 1994-2018 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www
ｉｎｓｉｇｈｔｉｎｔｏｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｔｒｅｎｄｓｏｆｇａｉｎｍａｔｅｒｉａｌｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｇａｉｎｍａｔｅｒｉａｌ；ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ；ｏｈｍｉｃｌｏｓｓ 近年来，研究人员对电磁超材料（ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ）产生了浓厚的兴趣．从狭义上讲， 电磁超材料指的是左手材料（双负介质）和单负介质（负介电常数或负磁导率介质），该材料的单元周期 常数ａ 远远小于入射电磁波的波长（λ ＞＞ａ）．从广义上讲，超材料是一种具有天然常规介质所不具备 的超常物理特性的人工复合材料．超材料除了左手材料、单负介质外，还包括光子晶体等复合结构材料． 超材料有３个重要特征：具有特殊人工结构、具有超常的物理性质、电磁性质取决于构成材料的人工结 构而不是其本征性质．绝大多数电磁超材料的结构包含金属结构，由于金属纳米结构具有很强的光吸收 能力，使其欧姆损耗过大，此损耗在光波和近红外波段显得尤其突出．实际损耗的存在使得很多电磁超 材料在光波和近红外波段的应用（如完美成像、隐身衣等）被认为是不切实际的，除非能降低甚至补偿其 损耗的能量．因此，如何有效降低甚至补偿金属纳米结构的损耗已成为电磁超材料及等离子效应研究的 热点［１－２］，解决问题的方法有：采用特殊的低损耗合金（ａｌｌｏｙｓ）、调整电磁超材料的几何结构等．上述两种 方法补偿超材料欧姆损耗的效果不能令人满意，最有新意且最有效的思路是引入一种能提供光增益 （ｇａｉｎ）的媒质来补偿金属的损耗．增益媒质即为光学放大介质，早期的学者为了引入增益，提出了负电 导率介质方法，但该方法在理论上不自洽，无法准确地描述粒子与电磁场相互作用的动态演变．近年来， 学者们提出了使用四能级激光系统来描述增益材料，通过速率方程可自洽模拟整个系统的耦合，准确有 效．该文首先回顾超材料的历史发展过程，介绍其国内外研究现状；然后归纳超材料在发展过程中遇到 的问题，着重介绍实验以及理论上如何通过引入增益材料来弥补超材料中的金属损耗． １ 电磁超材料 最初的电磁超材料理论及实验研究主要是针对左手材料展开的，左手材料［３］（ｌｅｆｔｈａｎｄｍａｔｅｒｉａｌ） 是指介电常数和磁导率同时为负的介质，它具有很多超常的物理特性，如相速与群速方向相反、负折射 率、反常 Ｄｏｐｐｌｅｒ效应、反常 Ｃｅｒｅｎｋｏｖ辐射效应等．Ｌａｍｂ［４］是最早对左手材料开展研究的科学家，早在 １９０４年他就意识到了后向波的存在，随后 Ｍａｎｄｅｌｓｈｔａｍ［５］，Ｓｉｖｕｋｈｉｎ［６］，Ｖｅｓｅｌａｇｏ［３］等对这种介质也进 行了研究．前苏联科学家 Ｖｅｓｅｌａｇｏ是首次从理论上系统研究左手材料电磁特性的学者，１９６８年，他发现 介电常数ε和磁导率μ 都为负值的物质与常规材料相比有不同的电磁性质，同时还指出当平面电磁波 照射这种物质时，会发生异常的折射现象，由于这种介质自然界中并不存在，使得他对左手材料没有进 行实验上的研究，仅仅停留在理论上．这种介质与常规介质有着不同的电磁特性，电磁波在其中传播时， 其波矢ｋ，电场Ｅ，磁场 Ｈ 满足左手定则，而不满足于熟知的右手定则，相速度的方向与能流方向相反， 因此 Ｖｅｓｅｌａｇｏ把它定义为左手材料．由于左手材料具有上述特性，其折射率ｎ 一定是负值，这种具有负 的折射率的材料又称为负折射媒质（ｎｅｇａｔｉｖｅｉｎｄｅｘｍａｔｅｒｉａｌ，简称 ＮＩＭ）．当电磁波射向正折射率媒质 （ｐｏｓｉｔｉｖｅｉｎｄｅｘｍａｔｅｒｉａｌ，简称ＰＩＭ）与负折射率媒质交界面时，折射波与入射波位于法线的同侧，如图１ 所示． 图１ 电磁波射向正折射率媒质与负折射率媒质交界面时的反射与折射 第４期 牛凯坤，等：电磁超材料与增益材料研究现状与进展 ５２
26 安徽大学学报（自然科学版） 第41卷 虽然Veselago0从理论上详尽地研究了左手材料的电磁特性，但由于自然界中不存在这种物质，在 之后的几十年间，研究人员并未对左手材料产生浓厚的兴趣.直到21世纪初，美国的Sth教授与合作 者们基于Pendry等[)的思想才设计出世界上第一块左手材料，他1将开口谐振环印刷在介质板上并 与金虽细线讲行隔行周期排列.其中细线的放冒方向与开口诺振环的轴向垂直，随后，他们诵过实验 量上述的1维左手材料的传输和透射功率来验证之前提出的理论，实验结果表明该复合材料在4. 5.2GHz这一频段内确实表现出了左手特性，实验使用的左手材料实物及测量结果如图2所示. 20 5.0 65 图2左手材料实物及测量结界 2001年，为了证明左手材料的负折射率特性，Shelby等[o在平行波导中进行了著名的“棱镜折射 实验”他们在平行波导中放置2维左手材料，材料的两侧放置吸波材料，申磁波接收探头可随波导圆我 转动以接收不同方向的电磁波，并将结果与常规介质的实验结果进行比较，他们发现电磁波经过左手材 料后确实发生了负折射现象，实验中的左手材料、实验装置示意图及最终测量结果如图3所示」 Microwave absorber Frequeney/GHz 图3“校镜折射实验”中的左手材料、实验装置示意图及最终测量结果 Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.ne
虽然 Ｖｅｓｅｌａｇｏ从理论上详尽地研究了左手材料的电磁特性，但由于自然界中不存在这种物质，在 之后的几十年间，研究人员并未对左手材料产生浓厚的兴趣．直到２１世纪初，美国的Ｓｍｉｔｈ教授与合作 者［７］基于 Ｐｅｎｄｒｙ等［８－９］的思想才设计出世界上第一块左手材料，他们将开口谐振环印刷在介质板上并 与金属细线进行隔行周期排列，其中细线的放置方向与开口谐振环的轴向垂直．随后，他们通过实验测 量上述的１维左手材料的传输和透射功率来验证之前提出的理论，实验结果表明该复合材料在４．７～ ５．２ＧＨｚ这一频段内确实表现出了左手特性，实验使用的左手材料实物及测量结果如图２所示． 图２ 左手材料实物及测量结果 ２００１年，为了证明左手材料的负折射率特性，Ｓｈｅｌｂｙ等［１０］在平行波导中进行了著名的“棱镜折射 实验”．他们在平行波导中放置２维左手材料，材料的两侧放置吸波材料，电磁波接收探头可随波导圆盘 转动以接收不同方向的电磁波，并将结果与常规介质的实验结果进行比较，他们发现电磁波经过左手材 料后确实发生了负折射现象．实验中的左手材料、实验装置示意图及最终测量结果如图３所示． 图３ “棱镜折射实验”中的左手材料、实验装置示意图及最终测量结果 ６２ 安徽大学学报（自然科学版） 第４１卷
第4期 牛凯坤，等：电磁超材料与增益材料研究现状与进展 27 电磁超材料作为一种刚刚发展起来的新型材料，与其他的新兴事物一样，在发展初期也遭到了很多 研究人员的质疑，如Valanju等们指出当电磁波通过右手媒质与左手媒质交界处时，群速度的方向不 可能朝反方向而只能朝正方向，并认为电磁左手材料的特性违反了因果定律且不符合群速不可能超过 光速的法则，棱镜折射实验中的负折射现象不是左手材料所致而是近场衍射的结果，此外，Gar©ia等] 认为在穿过楔形棱镜的时候，入射电磁波的损耗并不均匀，因此有可能是材料的高损耗特性导致了负折 射现象 与此同时，相关的科学家也从理论和实验上反驳了对电磁超材料质疑的观点，包括美国麻省理工学 院Kong教授在内的科学家的理论计算和数值仿真表明左手材料具有负折射性-).Kog教授)指出 了Valanju文章中的错误一将波的干涉波纹前进方向当成能量传播的方向，认为能量传播的方向应 该通过计算各处坡印廷矢量的方向来确定在实验方面，Houck等重复了Shelby的棱镜折射实验 得到了相同的结论，除此以外 为了验证电磁左手材料的负折射特性，科研人员也相维雏提出了一些新的 实验方法，如自由空间测试法四，高斯波速位移实验)、T型波导实验)等. 在经历了一段时间的争议之后，电磁左手材科的负折射特性得到了广泛的认可，并成为研究前沿， 些关于电磁超材料的专著[0)相维出版，由于在隐身技术等方面有诸多应用潜力，电磁超材料在 2003年和2006年被美国《科学》期刊评选为十大科学突破之 电磁左手材料的早期研究都是基于Si山环结构，随后学者们也构造了一些其他的结构来实现到 折射率，如对称环结构)等，因为这些诺振环在入射电磁场作用下产生的电响应频段总是高于磁响应 频段，所以这些谐振环需要使用金属细线来共同构造，仅仅使用开口谐振环不能构造出左手材料，上面 提到的各种结构都是基于电磁波平行入射的情况，即入射波的波矢方向与诺振环所在平面的法向垂 直，除此之外还有一种基于金属单元的垂直入射情况，即入射电磁波的波矢方向与金属单元所在平面的 法向方向平行 ou等提出用短线对结构(short wires pair) 、H形状金属线结构来实现电磁左手 材料，但这种结构有负折射通带较窄的缺点，随后Kafesaki等ra阿提出渔网状结构((fishnet structure)的 左手材料，该结构具有低损耗、宽频带的优点.初期超材料只能在微波波段(microwave)实现，然而，随着 新型材料的出现及微加工技术的提高，基于金属单元的电磁超材料也可应用于太赫蕊(THz)波段红外 波段(infrared)和光波段(optical w: 2增益材料 超材料具有窄领带、高损耗的特性，在实际应用中难有用武之地，故其应用前最被很多人怀疑.一部 分超材料因存在一些间题限制了其应用，特别是一些能产生超光速现象的材料，如零值材料、负折射率 材料等，但是研究人员也想出了一些办法来解决问题，如加入增益材料来降低损耗和增加带宽 在电磁超材料研究领域，引入增益材料来克服甚至完全补偿超材料中金属的欧姆损耗越来越受到 实验和理论方面学者的重视.实验方面，英国南安普顿大学的Zheludev研究小组]将量子点(quantum ots)嵌入互补开口谐振环结构（见图4），构建了增益材料与电磁超材料科榈合系统，实验结果表明在连续 波泵浦(pumping)下，传输能量提高了l%,同时伴随荧光增强. 2 QD/PMMA (10 mm) 1994-2018 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.enki.ne
电磁超材料作为一种刚刚发展起来的新型材料，与其他的新兴事物一样，在发展初期也遭到了很多 研究人员的质疑，如 Ｖａｌａｎｊｕ等［１１］指出当电磁波通过右手媒质与左手媒质交界处时，群速度的方向不 可能朝反方向而只能朝正方向，并认为电磁左手材料的特性违反了因果定律且不符合群速不可能超过 光速的法则，棱镜折射实验中的负折射现象不是左手材料所致而是近场衍射的结果．此外，Ｇａｒｃｉａ等［１２］ 认为在穿过楔形棱镜的时候，入射电磁波的损耗并不均匀，因此有可能是材料的高损耗特性导致了负折 射现象． 与此同时，相关的科学家也从理论和实验上反驳了对电磁超材料质疑的观点，包括美国麻省理工学 院 Ｋｏｎｇ教授在内的科学家的理论计算和数值仿真表明左手材料具有负折射性［１３－１５］ ．Ｋｏｎｇ教授［１３］指出 了 Ｖａｌａｎｊｕ文章中的错误———将波的干涉波纹前进方向当成能量传播的方向，认为能量传播的方向应 该通过计算各处坡印廷矢量的方向来确定．在实验方面，Ｈｏｕｃｋ 等［１６］重复了 Ｓｈｅｌｂｙ的棱镜折射实验， 得到了相同的结论，除此以外，为了验证电磁左手材料的负折射特性，科研人员也相继提出了一些新的 实验方法，如自由空间测试法［１７］、高斯波速位移实验［１８］、Ｔ 型波导实验［１９］等． 在经历了一段时间的争议之后，电磁左手材料的负折射特性得到了广泛的认可，并成为研究前沿， 一些关于电磁超 材 料 的 专 著［２０－２３］相 继 出 版．由 于 在 隐 身 技 术 等 方 面 有 诸 多 应 用 潜 力，电 磁 超 材 料 在 ２００３ 年和２００６年被美国《科学》期刊评选为十大科学突破之一． 电磁左手材料的早期研究都是基于Ｓｍｉｔｈ环结构，随后学者们也构造了一些其他的结构来实现负 折射率，如对称环结构［２４－２５］等．因为这些谐振环在入射电磁场作用下产生的电响应频段总是高于磁响应 频段，所以这些谐振环需要使用金属细线来共同构造，仅仅使用开口谐振环不能构造出左手材料．上面 提到的各种结构都是基于电磁波平行入射的情况，即入射波的波矢方向与谐振环所在平面的法向垂 直，除此之外还有一种基于金属单元的垂直入射情况，即入射电磁波的波矢方向与金属单元所在平面的 法向方向平行．Ｚｈｏｕ等提出用短线对结构（ｓｈｏｒｔｗｉｒｅｓｐａｉｒ）［２６］、Ｈ 形状金属线结构［２７］来实现电磁左手 材料，但这种结构有负折射通带较窄的缺点，随后 Ｋａｆｅｓａｋｉ等［２８］提出渔网状结构（ｆｉｓｈｎｅｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）的 左手材料，该结构具有低损耗、宽频带的优点．初期超材料只能在微波波段（ｍｉｃｒｏｗａｖｅ）实现，然而，随着 新型材料的出现及微加工技术的提高，基于金属单元的电磁超材料也可应用于太赫兹（ＴＨｚ）波段、红外 波段（ｉｎｆｒａｒｅｄ）和光波段（ｏｐｔｉｃａｌｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）． ２ 增益材料 超材料具有窄频带、高损耗的特性，在实际应用中难有用武之地，故其应用前景被很多人怀疑．一部 分超材料因存在一些问题限制了其应用，特别是一些能产生超光速现象的材料，如零值材料、负折射率 材料等，但是研究人员也想出了一些办法来解决问题，如加入增益材料来降低损耗和增加带宽． 在电磁超材料研究领域，引入增益材料来克服甚至完全补偿超材料中金属的欧姆损耗越来越受到 实验和理论方面学者的重视．实验方面，英国南安普顿大学的 Ｚｈｅｌｕｄｅｖ研究小组［２９］将量子点（ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔｓ）嵌入互补开口谐振环结构（见图４），构建了增益材料与电磁超材料耦合系统，实验结果表明在连续 波泵浦（ｐｕｍｐｉｎｇ）下，传输能量提高了１％，同时伴随荧光增强． 第４期 牛凯坤，等：电磁超材料与增益材料研究现状与进展 ７２
28 安徽大学学报（自然科学版 第1卷 001200 140016001800200 图4 Zheludev研究小组互补开口诺振环结构及其实验结果 20l0年，美国普渡大学的Shalaev研究小组o在《Nature》?上报告了利用燃料掺杂(dye-doped: Rh800)提供地以补修网结构(sh)的实验.测到泵浦下特殊顿率点的相对传能量能提高到 00%的量级.德国Wegener课思组与美国爱有华州立大学S0k心ou研究小组合作四，利用半导体村 料的量子阱(quantum wells)提供增益，开展pump-probe实验，研究pump前后传输能量与probe时间 差的关系，研究结果表明，引入增益会导致传输能量降低（见图5），这个结果大大出乎意料，原因可能在 于增益的引入改变了原来结构的电磁特性。 .7 10 140 0.8 1.0 图5德国Wegener课题组与美国爱荷华州立大学Soukoulis研究小组合作开展的pump-probe实脸结果 理论方面，英国帝国理工大学的Hcss课题组利用optical pump研究了四能级激光系统与新型 人工电磁媒质的相互作用（见图6），但其研究的结构仅限于fishnet,其模型无法解释Wegener所观测 的结果. 1004.2018chi al Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.net
图４ Ｚｈｅｌｕｄｅｖ研究小组互补开口谐振环结构及其实验结果 ２０１０年，美 国 普 渡 大 学 的 Ｓｈａｌａｅｖ研 究 小 组［３０］在《Ｎａｔｕｒｅ》上报告了利用燃料掺杂 （ｄｙｅ－ｄｏｐｅｄ： Ｒｈ８００）提供增益以补偿渔网结构（ｆｉｓｈｎｅｔ）的实验，观测到泵浦下特殊频率点的相对传输能量能提高到 １００％的量级．德国 Ｗｅｇｅｎｅｒ课题组与美国爱荷华州立大学 Ｓｏｕｋｏｕｌｉｓ研究小组合作［３１］，利用半导体材 料的量子阱（ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌｓ）提供増益，开展ｐｕｍｐ－ｐｒｏｂｅ实验，研究ｐｕｍｐ前后传输能量与ｐｒｏｂｅ时间 差的关系，研究结果表明，引入增益会导致传输能量降低（见图５），这个结果大大出乎意料，原因可能在 于增益的引入改变了原来结构的电磁特性． 图５ 德国 Ｗｅｇｅｎｅｒ课题组与美国爱荷华州立大学Ｓｏｕｋｏｕｌｉｓ研究小组合作开展的ｐｕｍｐ－ｐｒｏｂｅ实验结果 理论方面，英国帝国理工大学的 Ｈｅｓｓ课题组［３２］利用ｏｐｔｉｃａｌｐｕｍｐ 研究了四能级激光系统与新型 人工电磁媒质的相互作用（见图６），但其研究的结构仅限于ｆｉｓｈｎｅｔ，其模型无法解释 Ｗｅｇｅｎｅｒ所观测 的结果． ８２ 安徽大学学报（自然科学版） 第４１卷