负折射是一种违反常规的电磁波穿越光学界面的现象,表现为入射光和折射光位于界面法线的同侧。平板负折射材料制备的透镜,其成像分辨率可以突破衍射极限,还可以用于具有军事意义的隐身设备。除此之外,负折射材料在位相补偿、纳米波导等一系列光学领域,具有巨大的潜在应用价值,因此成为近十年的研究热点。2000年,D.R.Smith等人把金属微结构的线阵列和开口谐振环阵列组合,首次在实验上观测到负折射,其现象出现在微波波段。之后有人采用金属渔网结构的材料把负折射波段推至可见光的边缘。2008年,张翔组利用直径60nm的银线阵列实验上获得了660nm光波的负折射,但是4.5μm厚材料的透过率仅4%。本论文深入研究银线阵对电磁波反作用的等离子体微观机理,获得抑制银纳米材料在可见光波段的光能损耗的趋肤效应尺寸约20nm。据此首先提出利用液晶分散直径仅20nm银纳米球阵列在可见光波段实现负折射,其中银纳米球间距为40nm。理论分析表明,液晶的An越大,获得负折射的波段越宽；预计△n为0.22的E7液晶/银纳米球复合材料的负折射波段在460nm-485nm范围。实验发现银纳米球极易团聚,导致这种负折射材料很难制备。理论设计直径20nmm的银线阵列在可见光波段实现负折射需要银线间距小于70nm。自制了氧化铝阵列孔模板,利用电沉积法在模板上获得了直径40nm、线间距110nm的银线阵列材料,反射率检测结果表明在可见光边缘780nm波长处材料沿线介电分量值约为-2.33,证明为负折射材料。为进一步提高透过率,提出在反六角液晶分子模板中生长直径20nm、线间距40nm的银线阵,理论计算表明在450nm-800nm宽波段可见光范围内能够产生负折射,理论预测波长大于500nm的光波的透过率大于30%。反六角溶质液晶是软模板,难以大面积制备银线阵列。液晶分子上的共轭π电子很容易离域运动,可以在光波的电场中产生诱导偶极子,即类等离子体,液晶分子容易排列取向,同时液晶材料对可见光的吸收基本可以忽略,因此液晶负折射材料将具有高透过率。实验上证明液晶分子与光波电场约呈50°夹角时负折射角最大,且液晶中的最大负折射角与液晶的△n值近似呈线性关系。实验上获得波长532nm的TM激光在△n=0.42的液晶材料中的最大负折射角为-14°,约为已有文献报道值的2倍。本工作深入金属等离子体和分子偶极子的电子特性,定性分析了振荡激元产生负折射的微观机理。在此基础上,借助介电常数计算模型给出一些微结构的负折射预测,探索了能够覆盖整个可见光波段的高透过率负折射材料。同时,对金属材料的能量损耗与比表面积的关系进行了分析,解明只有金属纳米线的直径小到20nm时才有可能获得有价值的负折射材料。综上,金属中的自由振荡等离子体虽然能强烈作用于电磁波、使其传播方向发生负折射偏转,但金属的光能损耗也是很难突破的瓶颈问题；而液晶中的类等离子体振荡效应,没有光能损耗问题,虽然其类等离子体的振荡目前不能在全方位产生,但有希望通过控制液晶分子的取向形式来改善,这是本研究今后要开展的工作。