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折射率（二）
2025-05-28
负折射率
负折射率（介电常数和磁导率同时为负）的问题是近年来国际上非常活跃的一个研究领域。当电磁波在负折射率材料中传播时，电场E、磁场B和波矢k三者构成左手螺旋关系，因而负折射率材料又称为左手性材料(left-handed materials)。Veselago 1968 年首次在理论设想了左手型材料。Pendry在1996年与1999年分别指出可以用细金属导线及有缝谐振环阵列构造介电常数ε和磁导率μ同时为负的人工媒质。2001年，Smith等人沿用Pendry的方法，构造出了介电常数与磁导率同时为负的人工媒质，并首次通过实验观察到了微波波段的电磁波通过这种人工媒质与空气的交界面时发生的负折射现象。尽管初期人们对Smith等人的实验有许多争论，但2003年以来更为仔细的实验均证实了负折射现象。
产生负折射率现象有两类材料。一类材料是由于局域共振机制导致介电常数和磁导率同时为负，既材料具有有效的负折射率。这类材料又被称为特异材料（meta materials）。Smith等人的有缝谐振环阵列就属于特异材料。但是有缝谐振环阵列结构具有较大的损耗和较窄的负折射带宽，在应用中会受到许多限制。另一类材料是光子晶体，其本身并不具有有效的负折射率，但在某些特殊情况下光子能带的复杂色散关系会导致负折射现象。在光子晶体中，电磁波在周期结构中的Bragg散射机制起着主要作用。尽管局域共振机制和非局域的Bragg散射机制都会产生负折射现象，但两种机制各有特点。对于Bragg机制，人们已经了解的较为清楚，通过合适的光子晶体结构选取以及光子能带设计，可以得到所需的负折射通带。但Bragg机制要求周期结构的晶格常数要与能隙的电磁波波长相比拟，对微波波段将导致结构过大从而限制器件应用。另外，由于Bragg机制的非局域性，它对周期性结构的不完整性（如存在结构无序和缺陷）较为敏感。与Bragg机制相反，局域共振机制不要求周期结构的晶格常数要与能隙的电磁波波长相比拟，而且对无序和缺陷不敏感。但目前人们对利用局域共振机制设计负折射率材料的一些关键问题了解不够，例如如何增大负折射通带带宽、减小损耗等。提出另一种制备特异材料的方法，该方法利用在微波传输线中周期性加载集总电感-电容共振单元来实现有效负折射率。与Smith 等人的有缝谐振环阵列结构比较，周期性集总电感-电容共振结构不仅具有较小的损耗和较宽的负折射带宽，而且容易实现外场调控。
在负折射率材料中，电磁波的相速度（波矢方向）与群速度（波印廷矢量方向）的传播方向相反，很多光学现象，诸如折射、多普勒频移、切伦科夫辐射、甚至光压等都要倒逆过来。突破媒质衍射极限的平面成像是负折射率材料的一个重要应用，这方面的研究引起人们极大兴趣。由于负折射材料在基础研究及应用方面的重要意义，它被美国《科学》杂志列为2003年十大重大突破之一。有关负折射率材料的研究目前正在从深度和广度两个不同的层面迅速展开，许多新奇的理论与实验结果不断出现。以下仅列举与本申请书相关的3个方面新进展。
（1）有关光子在负折射率材料界面与表面的奇异传播行为的数值模拟结果发现，光子从正折射率材料向负折射率材料传播时，在界面上反射光与折射光并不是同时出现，而是反射光先出现，折射光经过一个称之为"电容充电"过程后再出现。类似的"电容充电"在光子势垒隧穿过程中也存在，但两者之间的是否有联系目前不清楚。
（2）有关含负折射率材料光子晶体的奇异输运行为发现，由正、负折射率材料组成的一维光子晶体中存在零平均折射率（n=0）能隙。该能隙不同于通常的Bragg能隙，即能隙的位置与晶格大小无关而且无序的影响很小。这方面的研究工作很活跃，将会拓宽人们对复杂人工结构中光子输运行为的认识。
（3）利用局域共振机制设计负折射率材料。现有的负折射率材料是建立在局域共振导致介电常数和磁导率同时为负（又被成为双负性材料）的基础上，提出一种新的机制来形成负折射率材料，即利用介电常数为正而磁导率为负（或介电常数为负而磁导率为正）的单负性材料单的交替周期性结构来实现有效负折射率。最近的研究表明特殊周期性集总电感-电容共振结构可以实现单负性材料，这方面的研究不仅使得负折射率材料的实现方式更为多样化，而且将加深人们对形成负折射率机制的认识。
全反射
光由相对光密介质射向相对光疏介质，且入射角大于等于临界角C，即可发生全反射。临界角即使折射角等于90°时的入射角。
根据折射定律，
因为空气的折射率n=1,所以由某介质向空气入射则简化为n=1/sinC.
光色散
对于不同的波长，介质的折射率n(λ)也不同，这叫做光色散。折射率与波长或者频率的关系称为光的色散关系。常用的折射率有：
n（d）是介质在方和菲光谱d（氦黄线587.56nm）的折射率。
n（F）是介质在方和菲光谱F（氢蓝线486.1nm）的折射率。
n（C）是介质在方和菲光谱C（氢红线656.3nm）的折射率。
n（e）是介质在方和菲光谱e（汞绿线546.07nm）的折射率。
意义
折射率是物质的一种物理性质。它是食品生产中常用的工艺控制指标，通过测定液态食品的折射率.可以鉴别食品的组成，确定食品的浓度，判断食品的纯净程度及品质。 蔗糖溶液的折射率随浓度增大而升高。通过测定折射率可以确定糖液的浓度及饮料、糖水罐头等食品的糖度，还可以测定以糖为主要成分的果汁、蜂蜜等食品的可溶性固形物的含量。
各种油脂具有其一定的脂肪酸构成，每种脂肪酸均有其特定的折射率。含碳原子数目相同时不饱和脂肪酸的折射率比饱和脂肪酸的折射率大得多；不饱和脂肪酸分子量越大，折射率也越大；酸度高的油脂折射率低。因此测定折射率可以鉴别油脂的组成和品质。
正常情况下，某些液态食品的折射率有一定的范围，如正常牛乳乳清的折射率在1.34199～1.34275之间。当这些液态食品因掺杂、浓度改变或品种改变等原因而引起食品的品质发生了变化时，折射率常常会发生变化。所以测定折射率可以初步判断某些食品是否正常。如牛乳掺水，其乳清折射率降低，故测定牛乳乳清的折射率即可了解乳糖的含量，判断牛乳是否掺水。
其他介绍
时间晶体本质上是一种材料，其中某一特定属性会随时间呈周期性变化，就像摆锤来回摆动一样。这些材料挑战了我们对物质行为的传统理解。在时间晶体的世界里，涉及到"折射率"这个概念，它指的是电磁辐射（如光）在介质中的速度与在真空中速度的比值。当这种折射率以可预测的方式振荡时，我们就拥有了时间晶体。
以色列理工学院的研究团队大胆进入了近可见光谱。他们向透明导电氧化物材料发射极短脉冲的激光光束（仅持续5-6飞秒），波长为800纳米。这束激光光束导致了材料折射率的迅速变化，为时间晶体的形成创造了条件。
要了解这是如何运作的，想象一下把一块小石头扔进池塘的情景。初始的飞溅会产生向外传播的涟漪。类似地，激光脉冲会在材料的折射率中产生涟漪。然而，这些涟漪不仅仅是普通的涟漪；它们超级快，发生在不到10飞秒的时间内（1飞秒是一百万亿分之一秒的时间）。
