Fundamentals and Applications of Negative Refraction in Metamaterials pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Princeton University Press

作者:J Pendry

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:September 6, 2007

价格:0

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isbn号码:9780691123479

丛书系列:

图书标签:

• Metamaterials
• Negative Refraction
• Electromagnetics
• Photonics
• Nanophotonics
• Optical Materials
• Material Science
• Physics
• Applied Physics
• Wave Propagation

《负折射现象与超材料的理论及应用》 本书深入探讨了在科学前沿领域引起广泛关注的负折射现象，并将其在超材料这一新型人工结构中的理论基础、物理机制以及由此衍生的各类创新应用进行了系统性的梳理和阐述。本书的目标读者包括对电磁学、材料科学、物理学以及相关工程领域有深入研究的学者、研究人员、研究生，以及希望了解尖端技术动态的工程师和技术爱好者。 第一部分：负折射现象的理论基石 在这一部分，我们将从物理学的基本原理出发，深入剖析负折射现象的核心概念。这包括对传统折射定律的回顾，并重点阐述负折射与正折射在介质电磁响应上的根本区别。我们将详细介绍构成负折射现象的必要条件，即同时满足负的介电常数（ε）和负的磁导率（μ）。通过对麦克斯韦方程组在人工周期性结构中的解以及Bloch波理论的分析，我们将展示如何在微观层面设计和实现具有所需电磁响应的结构。 此外，本书还将深入探讨负折射材料的色散特性，即电磁波在这些材料中的传播速度如何随频率变化。我们将分析材料的带宽限制问题，以及如何通过优化结构设计来拓宽负折射的有效工作频带。同时，我们还会讨论负折射现象与能量流方向、动量以及相速度之间的独特关系，这将为理解其反常传播行为提供深刻的洞察。 第二部分：超材料的构建与特性 本部分聚焦于超材料这一实现负折射现象的关键载体。我们将首先介绍超材料的设计理念，即通过人工周期性地排列亚波长尺度的结构单元（通常小于工作波长），来精确调控材料的宏观电磁参数。本书将详尽介绍几种经典的超材料结构单元，例如开口谐振环（SRR）、偶极子阵列、异质结等，并分析它们各自在实现负ε和负μ方面的优势与局限性。 本书将重点阐述超材料的设计方法论，包括利用电磁仿真软件进行数值计算，以及基于共振原理和有效介质理论来预测和优化超材料的电磁性能。我们将详细介绍如何根据目标电磁参数，通过改变结构单元的几何形状、尺寸、材料组成以及排列方式来实现精准调控。此外，我们还将探讨超材料的制造技术，从微纳加工（如光刻、电子束刻蚀）到3D打印等，以及这些技术对实现高性能超材料的重要性。 第三部分：负折射超材料的应用前景 负折射现象的出现，为电磁波的操控带来了前所未有的可能性，并催生了诸多颠覆性的应用。在本部分，我们将重点介绍负折射超材料在不同领域的核心应用，并对其潜在的技术突破进行展望。 完美透镜（Perfect Lens）与超分辨成像： 这是负折射现象最引人注目的应用之一。传统光学成像受到衍射极限的制约，无法分辨小于光波长一半的细节。负折射材料能够实现负的折射率，理论上能够收集并聚焦近场信息，从而突破衍射极限，实现超分辨成像。本书将详细阐述完美透镜的工作原理，分析其实际应用中的挑战（如损耗、带宽限制）以及研究进展。 隐身斗篷（Invisibility Cloak）： 负折射超材料是实现光线弯曲的关键。通过设计具有特定折射率梯度分布的超材料，可以引导光线沿着预设路径绕过被包裹的物体，使其在外部观察者看来“隐形”。本书将探讨不同类型的隐身斗篷设计，包括基于坐标变换的理论以及实际实现中的挑战，例如工作频带、方向性和损耗问题。 电磁波的操控与引导： 负折射材料能够实现电磁波的负向传播，这为设计新型的导波结构、天线和滤波器提供了新的思路。例如，可以设计更紧凑、更高效的波导，或者实现具有特殊辐射特性的天线。本书将介绍利用负折射超材料设计新型天线（如负折射天线、超材料天线阵列）、滤波器、功率分配器等。 负折射在其他频段的应用： 除了可见光和微波，负折射现象在红外、太赫兹乃至声波等其他频段也展现出巨大的应用潜力。本书将讨论负折射超材料在红外探测、太赫兹成像、声学超材料等领域的研究现状和发展趋势。 负折射与非线性光学： 探讨负折射超材料的非线性光学效应，如二次谐波产生、三波混频等，以及这些效应在光通信、光计算等领域的潜在应用。 第四部分：挑战与未来展望 在总结了负折射超材料的理论基础和主要应用之后，本书的最后部分将聚焦于该领域当前面临的主要挑战，并对未来的发展方向进行展望。这包括： 损耗问题： 实际超材料往往存在电磁损耗，这会严重影响其性能，特别是在长距离传输或高效率应用中。本书将讨论降低损耗的策略，例如材料选择、结构优化和有源器件集成。 带宽限制： 许多超材料的应用仅限于窄带工作，限制了其实际推广。研究如何实现宽带负折射以及宽带电磁操控是当前研究的重点。 制造与集成： 复杂超材料结构的精确制造和规模化生产仍然是一个挑战。本书将探讨先进制造技术在克服这一挑战中的作用。 新材料与新结构： 探索新型材料（如二维材料、拓扑材料）以及创新的超材料结构设计，以实现更优异的电磁性能和更广泛的应用。 多功能性与智能化： 发展能够动态调控电磁参数、实现多功能集成的可重构超材料，以及将其与人工智能相结合，有望推动超材料技术进入新的发展阶段。 通过对本书内容的学习，读者将能够全面、深入地理解负折射现象的物理本质，掌握设计和表征超材料的关键技术，并对其在各个领域的创新应用有清晰的认知，为未来的研究和技术开发奠定坚实的基础。

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这部作品的语言风格是如此的沉稳与内敛，以至于在某些地方，我需要反复阅读才能完全消化其内涵，但这恰恰是其价值所在。它构建了一个完整的知识体系，要求读者全身心地投入到对电磁波在复杂介质中行为的思考之中。例如，书中有一章专门讨论了负折射在非线性光学材料中的潜在应用，这部分的讨论显著超出了传统超材料的范畴，进入到了更深层次的材料本构关系研究。作者用非常晦涩但精确的语言描述了高强度光场下，材料的非线性响应如何影响负折射的有效性，以及如何利用负折射效应来增强某些非线性过程（如倍频或拉曼散射）的效率。对于那些对波动物理有深厚背景的读者而言，书中穿插的对麦克斯韦方程组在人工介质中解析解的探讨，无疑是一场盛宴。它不像很多新出版的科技书籍那样，试图用花哨的术语来吸引眼球，而是用最扎实的物理原理来构建论点，每一个结论都有其坚实的推导作为后盾。这本书，更像是一部需要细细品味的经典，而非快餐式的读物，它为那些致力于探索电磁学前沿的后来者，奠定了一块不可或缺的基石。

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读罢此书，我最大的感触是它对“超越衍射极限”这一终极目标的执着追求和系统阐释。负折射现象之所以引人注目，核心价值就在于它承诺打破阿贝衍射极限的桎梏，实现对亚波长细节的完美成像。作者在探讨这一应用时，并非简单地重复“完美透镜”的概念，而是深入剖析了近场与远场能量的转换机制，特别是对倏逝波（Evanescent Waves）的捕获与重建过程进行了详尽的数学刻画。书中对“完美透镜”的局限性，例如对源的带宽依赖性以及对完美电导率的理想化假设，进行了非常坦诚的讨论，这种对局限性的清晰认知，远比一味地鼓吹优势更为重要。更令人赞叹的是，作者将负折射的应用拓展到了超越成像的领域，比如用于抑制电磁散射的“隐身衣”设计。他们提供了一套基于共轭坐标变换的通用设计流程，并展示了如何将这种流程应用于实际的电磁环境，这使得原本看起来像科幻小说的概念，变得触手可及。本书的深度在于，它让读者明白，理解负折射，就是理解如何精妙地操控时空中的电磁能量流。

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这部著作的问世，无疑为光物理与材料科学的交叉领域注入了一股强劲的活力。它以一种近乎教科书式的严谨性，系统地梳理了负折射现象从理论提出到实验实现的艰辛历程。首先映入眼帘的是对超材料这一前沿概念的深刻剖析，作者并未止步于简单地罗列定义，而是深入探讨了其背后的电磁响应机理，特别是如何通过亚波长结构实现对传统材料参数的突破。书中对张量介电常数和磁导率的数学描述清晰而有力，为读者理解负折射的物理图像搭建了坚实的数学基础。接着，关于“完美透镜”的章节尤为精彩，它不仅仅是展示了理论上的优越性，更重要的是，它将前沿的理论思考与实际工程应用的可能性紧密地结合起来。我尤其欣赏作者在阐述“消隐斗篷”概念时所采用的类比手法，将复杂的坐标变换和场重构过程，用生活化的场景进行了解释，这极大地降低了非专业人士的理解门槛，使得这部原本应属于高阶物理研讨的著作，拥有了更广阔的受众群。这种深入浅出、兼顾深度与广度的叙事策略，是衡量一部优秀科学专著的关键标准，而本书无疑达到了很高的水准。从排版上看，图表的质量极高，复杂的电磁场分布图示清晰易懂，有效地辅助了抽象概念的理解。

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这本书给我带来的最直观感受是其无可比拟的“工程实用性导向”。许多理论物理书籍往往沉溺于数学推导的优雅，而忽略了实际制造过程中的不确定性和参数敏感性。然而，这部作品的后半部分，明显转向了对超材料器件设计的具体考量。从微纳加工工艺对亚波长结构精度的要求，到实际测量中如何利用近场扫描光学显微镜（NSOM）验证负折射效应，书中都给出了细致入微的描述。例如，在设计一个基于Split-Ring Resonator（SRR）阵列的负折射层时，作者详细列举了影响共振频率的关键几何参数（如环的宽度、开口大小、间距等）对材料有效磁导率的影响曲线，这种数据驱动的分析方法，对于正在进行原型开发的科研人员来说，简直是宝藏。此外，书中对新型功能化超材料，比如动态可调谐超材料（利用相变材料或电子注入机制）的讨论，也显示出作者并未固步自封于现有技术，而是对未来几年的发展方向保持了敏锐的洞察力。阅读这本书，就像有经验丰富的导师在手把手地指导你如何将理论转化为一个可以实际触摸和测量的设备。

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初翻此书，便有一种扑面而来的学术气息，它绝非一本肤浅的科普读物，而更像是一份精雕细琢的研究报告集。作者在多个章节中对费雪（Fischer）和佩纳里（Pendry）等奠基性人物的工作进行了详尽的溯源，这种对历史脉络的尊重和梳理，体现了极高的学术素养。特别是在探讨负折射实现路径时，书中详细对比了基于等离子体材料、LHM（左手材料）以及近期新兴的某些拓扑绝缘体结构所展现出的不同特性和限制条件。这种横向的比较分析，让读者能够清晰地看到技术发展的迭代过程和不同方案的权衡取舍。我个人认为，书中关于负折射波导损耗的讨论部分，处理得尤为精妙。它没有回避实际应用中的核心难题——欧姆损耗和辐射损耗，而是定量地分析了它们如何影响器件的性能极限。其中关于近场耦合效应的建模，虽然涉及复杂的边界条件处理，但作者依然坚持用简化的等效电路模型进行初步说明，这对于需要快速建立直观认识的工程师来说，无疑是极大的便利。整本书的论证逻辑严密，几乎找不到任何可以被诟病的地方，它展现了一种对物理规律的敬畏之心。

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