通常从一介质进入到另一介质时光束具有正折射角,但在负折射介质中它具有负折射角。除了介电常数和磁导率同时为负的双负介质外,光子晶体可以支持负折射也是为人所熟悉的,另外在特定条件下手征介质可以支持负折射近来也被提出了。负折射介质具有普通介质所不具有的异常物理特性,可以用它实现很多新型应用,突破衍射极限的次波长聚焦成像是最为著名的一个应用。 本论文在负折射介质(包括双负介质、负折射手征介质、负折射光子晶体)的特性与应用方面所完成的工作如下: 将广义Lorenz-Mie理论和多重散射方法结合起来对高斯光束照射下的单个或者相邻两个双负介质球的内部及近表面场进行了研究,结果表明不论球的共振是否被激发,双负介质球的内部及近表面场都具有独特特征。 具有负折射率的介质可以用来构造一维次波长谐振腔和两维开放腔,它们利用了具有负折射率的介质中的光程可以跟普通介质中的光程相抵消这一简单光线分析的结果(光线猜测)。本论文表明尽管光线分析很直观,但它不能给出谐振腔共振时的完全信息,应该用电磁波场理论来分析。一维次波长谐振腔只有在谐振腔中的普通介质层和双负介质层的阻抗相匹配时才满足光线猜测,并且它是非常不稳定的。本论文用两个双负介质方块对角放置构成了一个尺寸具有波长量级的两维开放腔,对它的共振模式用时域有限差分方法进行了计算。 首次对负折射手征介质平板的聚焦成像进行了研究,证明了在特定条件下该平板能够对左旋或右旋圆极化波(具体哪个依赖于材料)进行完美聚焦成像,另外也数值研究了非完美聚焦成像。 首次对负折射手征介质的表面波模式进行了研究。对负折射手征介质半无穷大或者有限厚度时表面波模式的存在条件进行了考察,对三个典型负折射手征介质平板的表面波模式给出了数值结果。负折射手征介质平板的表面波能流可以向前或者向后,甚至可以停止。这种手征介质平板的表面波可以用来有效降低光速。 提出了一个楔形光子晶体开放腔(在由两块完美导电金属板所构成的楔中,一半空间填充具有负有效折射率的光子晶体),对它的共振机制和共振模式进行了分析。由于对电磁波具有较好的束缚能力,小角度开放腔的品质因子可以比大角度开放腔的品质因子高的多。另外,也对楔形光子晶体开放腔可用作气体传感器的这个应用作了考察。 每格子包含两个或三个位于空气中的介质圆柱阵列可实现各向同性且等于-1的有效折射率。本论文用由每格子包含两个介质圆柱的光子晶体所构成的平板进行了次波