折射率是描述光在真空中的傳播速度與介質(zhì)中的傳播速度的比率。 這是光學(xué)中一個(gè)非常重要的概念。 折射率用符號(hào)n表示，估算公式為：n=c/v，其中c為光在真空中的速度，約為3×10?m/s，v為光在介質(zhì)中的速度. 不同的介質(zhì)具有不同的折射率。 例如，水的折射率為1.33，這意味著光在水底的傳播速度是真空的1/1.33倍。
折射率決定了折射現(xiàn)象。 當(dāng)光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，其傳播方向會(huì)發(fā)生變化。 這就是折射現(xiàn)象。 折射現(xiàn)象可以用斯涅爾定理來描述：n?sinθ?=n2sinθ2。 其中 n? 和 n? 分別是兩種介質(zhì)的折射率，θ? 和 θ? 分別是入射角和折射角。 從這個(gè)公式可以看出，折射率越大，光在介質(zhì)中的傳播速度越慢，折射角越小。
我們一般認(rèn)為折射率是一個(gè)正實(shí)數(shù)。 例如，空氣的折射率約為1，水的折射率約為1.33，玻璃的折射率約為1.5。 并且，在個(gè)別情況下，折射率可能不是正實(shí)數(shù)，而是復(fù)數(shù)或正數(shù)。 在這種情況下，光學(xué)現(xiàn)象會(huì)有何不同？ 為什么折射率會(huì)有這樣的變化？
復(fù)折射率
復(fù)折射率可表示為：n(ω)=n?(ω)+in?(ω)，其中n?(ω)和n?(ω)均為實(shí)函數(shù)，ω為光的頻率，i為虛數(shù)單位。 復(fù)折射率表示介質(zhì)對光的兩種影響：色散和吸收。
色散是指光在介質(zhì)中的傳播速度與光的頻率有關(guān)的現(xiàn)象。 不同頻率的光在同一介質(zhì)中可能具有不同的傳播速度，從而導(dǎo)致光的波長和波矢發(fā)生變化。 色散可以用復(fù)折射率的實(shí)部 n?(ω) 來描述。 實(shí)部越大，色散越明顯。
吸收是光在介質(zhì)中傳播時(shí)損失能量的現(xiàn)象。 當(dāng)光遇到原子或介質(zhì)中的原子時(shí)，會(huì)與它們發(fā)生相互作用，使光的能量轉(zhuǎn)化為其他形式（如熱能）。 吸收可以用復(fù)折射率的虛部 n2(ω) 來描述。 虛部越大，吸收越強(qiáng)。
我們可以用一個(gè)簡單的模型來理解復(fù)雜的折射率。 假設(shè)一束單色平面電磁波，真空中的電場為：
其中 A 是振幅，ω 是角頻率，k 是波矢量。
現(xiàn)在讓這束電磁波進(jìn)入具有復(fù)折射率的介質(zhì)，那么波矢k也將變成一個(gè)復(fù)數(shù)：
. 這樣，電場變?yōu)椋?span style="display:none">pcA物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
從公式可以看出，電場的振幅隨著x的減小呈指數(shù)衰減，這是吸收的療效。 電場的相位隨著x的減小呈線性變化，這是色散的影響。 為此，復(fù)折射率的實(shí)部n?(ω)決定了光在介質(zhì)中的相變，即色散； 復(fù)折射率的虛部 n2(ω) 決定了光在介質(zhì)中的振幅衰減，即吸收。
負(fù)折射率
據(jù)悉，還有一類特殊的人工合成材料光的色散屬于光的折射嗎，其折射率可以為正數(shù)。 這種材料被稱為“負(fù)折射率材料”或“超材料”。 負(fù)折射率是指光在一種介質(zhì)中的折射率為負(fù)，即光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，折射光與入射光位于法線的同一側(cè)光的色散屬于光的折射嗎，而不是相反側(cè).
負(fù)折射率理論最早由南斯拉夫化學(xué)家 于1967年提出，但直到2000年才得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。光的波長。 通過改變單元的形狀、尺寸和排列方式，可以控制材料的電磁特性，使其同時(shí)具有負(fù)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。
負(fù)折射率材料具有反向傳播、超差分成像、完美透鏡、反常色散等許多獨(dú)特而有用的性質(zhì)。負(fù)折射率材料在電磁波、光學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，但仍面臨許多技術(shù)挑戰(zhàn)和研究問題。