《負(fù)折射及其應(yīng)用-隱身衣的理論依據(jù)》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《負(fù)折射及其應(yīng)用-隱身衣的理論依據(jù)（39頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。
1、左手系中的光學(xué)現(xiàn)象負(fù)折射及其應(yīng)用,報告人：李永平 2008.11.17,內(nèi)容提綱,負(fù)折射率的預(yù)言 負(fù)折射率材料的實現(xiàn) 負(fù)折射率材料的特性 反常Cherenkov輻射、反常Doppler效應(yīng)、反Goos-Hanchen位移、負(fù)光壓、超級透鏡 負(fù)折射率材料的應(yīng)用 光子晶體中的負(fù)折射（提及）,負(fù)折射率的預(yù)言,那么折射率就有正負(fù)兩個根： 我們習(xí)慣上舍棄負(fù)根，只保留正根。 什么情況下折射率才取負(fù)值？,定義 帶入第三和第四式，得 按照定義，E, H 和單位矢量 成右手系，所以以上兩式左邊系數(shù)必皆為正，即要求折射率n和介電常數(shù) 、磁導(dǎo)率 同號。,Veselago在1967年預(yù)言了負(fù)折射率的存在。
2、 由于在此介質(zhì)中，電場、磁場和波矢成左手系，所以，負(fù)折射率介質(zhì)又稱左手介質(zhì)，相應(yīng)地，正折射率介質(zhì)被稱為右手介質(zhì)。負(fù)折射率材料中，能流方向和相速度方向相反。,負(fù)折射現(xiàn)象,兩點A和B分別在折射率為n1和n2的均勻介質(zhì)中，到界面的距離分別為a和b，兩點沿界面的距離為l，設(shè)折射點O與A沿界面方向相距為y。 求AB間光線傳播路徑即O點位置。,y,,,,,A,B,O,1,2,n1,n2,,,a,b,l,,y,負(fù)折射材料的研制,2001年加州大學(xué)的David Smith等人根據(jù)Pendry等人的建議，利用以銅為主的復(fù)合材料首次制造出在微波波段具有負(fù)介電常數(shù)、負(fù)磁導(dǎo)率的物質(zhì)，并觀察到了其中的反常折射定律。
3、負(fù)的介電常數(shù)可以由長金屬導(dǎo)線陣列（the array of long metallic wires，ALMWs）這種結(jié)構(gòu)獲得。 負(fù)的磁導(dǎo)率可以由微型金屬共振器，比如具有高磁化率的開口環(huán)形共振器（the split ring resonators ，SRRs）來獲得 。,實驗制得的左手材料結(jié)構(gòu),左手材料的研制被科學(xué)雜志評為2003年度 全球十大科學(xué)進(jìn)展。,實驗觀測負(fù)折射,超音速 在真空中，勻速運動的帶電粒子不會輻射電磁波。 在介質(zhì)中，當(dāng)帶電粒子勻速運動時會在其周圍引起誘導(dǎo)電流，從而在其路徑上形成一系列次波源，分別發(fā)出次波。 當(dāng)粒子速度超過介質(zhì)中光速時，這些次波互相干涉，從而輻射出電磁場，稱為Ch
4、erenkov輻射。,負(fù)折射率介質(zhì)中的反常Cherenkov輻射,,,右手介質(zhì) 左手介質(zhì),干涉后形成的波前，即等相面是一個錐面。 右手介質(zhì)中，電磁波的能量沿此錐面的法線方向輻射出去，是向前輻射的，形成一個向后的錐角； 而在左手介質(zhì)中，能量的傳播方向與相速度相反，因而輻射將背向粒子的運動方向發(fā)出，輻射方向形成一個向前的錐角。,反常Doppler效應(yīng),聲波的Doppler效應(yīng)。 在正常材料中，波源和觀察者如果發(fā)生相對移動，會出現(xiàn)Doppler效應(yīng)：兩者相向而行，觀察者接收到的頻率會升高，反之會降低。 但在負(fù)群速度材料中正好相反，因為能量傳播的方向和相位傳播的方向正好相反，所以如
5、果二者相向而行，觀察者接收到的頻率會降低，反之則會升高，從而出現(xiàn)反常Doppler頻移。,探測器向光源移動：右手介質(zhì)中，探測到的頻率變高；左手介質(zhì)中，探測到的頻率變低。,負(fù)光壓光子動量,反Goos-Hanchen位移,所謂的Goos-Hanchen位移是指當(dāng)光波在兩種介質(zhì)的分界面處發(fā)生全反射時，反射光束在界面上相對于幾何光學(xué)預(yù)言的位置有一個很小的側(cè)向位移，且該位移沿光波傳播的方向。 引起Goos-Hanchen位移的原因是電磁波并非由界面直接反射，而是在深入介質(zhì)2的同時逐漸被反射，其平均反射面位于穿透深度處。若介質(zhì)2為左手材料，則該位移沿光波傳播反方向，稱為反Goos-Hanchen位移.,
6、倏逝波,,由邊值條件，折射波的表達(dá)式,折射波在X方向（沿界面）仍具有行波的形式，但沿Z方向（縱深方向）按指數(shù)急劇衰減。 全反射情況下，光仍然要進(jìn)入第二介質(zhì)，這并不違反能量守恒定律。入射波的能量不是在嚴(yán)格的界面上全反射的，而是穿透介質(zhì)2內(nèi)一定深度后逐漸反射的。,Goos-Hanchen位移,右手介質(zhì)右手介質(zhì)界面 右手介質(zhì)左手介質(zhì)界面,超級透鏡（完美透鏡）,Pendry在2000年提出利用負(fù)折射率材料制作“超級透鏡”。 2000與2001年所發(fā)表的關(guān)于左手征材料的研究論文數(shù)量分別是13篇與17篇，2002年60篇，2003年上升到100篇以上。 “超級透鏡”成像： 1、一塊平板就能構(gòu)成一塊透
7、鏡； 2、所有傅立葉分量全部聚焦； 3、能放大倏失波。,頻率為的偶極子，其輻射場的電場分量可以利用 傅立葉級數(shù)展開為如下形式：,倏逝波衰減很快，無法參與成像，故傳統(tǒng)光學(xué)透鏡參與成像的成分為 故分辨率為,當(dāng) ，即折射率 時，由菲涅爾公式得知此時反射系數(shù)為0，即傳播波無損失地參與了成像。 波傳播一段距離z的效應(yīng)相當(dāng)于復(fù)振幅乘以 。對于倏逝波，相當(dāng)于場的指數(shù)衰減或者增強。 由于左手介質(zhì)和右手介質(zhì)中波矢k的方向恰巧相反，所以右手介質(zhì)中的衰減場進(jìn)入左手介質(zhì)后變?yōu)樵鰪妶觯喈?dāng)于左手介質(zhì)對其進(jìn)行放大，放大后的倏逝場經(jīng)過透鏡右端進(jìn)入右手介質(zhì)后重新衰減，最后在像平面上恢復(fù)為原來的值，參
8、與成像。,倏逝波參與成像,超級透鏡成像（模擬動畫，雙擊開始）,應(yīng)用前景,高指向性的天線通訊系統(tǒng)，如手機。 完美透鏡超分辨，資料儲存媒介。 電磁波隱身國防。,日本“隱身衣”,我國研究情況,單位：復(fù)旦大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、香港科技大學(xué)、中科院物理研究所、南京大學(xué)、北京大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)。 國家自然科學(xué)基金委將左手材料和負(fù)折射效應(yīng)的研究列入了2005年重點交叉項目指南： 在數(shù)理部和工程與材料學(xué)部聯(lián)合的“準(zhǔn)相位匹配研究中的若干前沿課題”主題中將“左手材料相關(guān)基礎(chǔ)性問題研究”列為主要探索內(nèi)容之一；在數(shù)理部和信息科學(xué)部聯(lián)合的“周期和非周期微結(jié)構(gòu)的新光子學(xué)特性”主題中將“周期及非周期微結(jié)構(gòu)中在太赫茲、近紅外及可
9、見波段的負(fù)折射效應(yīng)研究”列為主要探索內(nèi)容之一；基金委信息學(xué)部將“異向介質(zhì)理論與應(yīng)用基礎(chǔ)研究”列入2005年重點項目指南，異向介質(zhì)即是左手材料的另一個名稱。,光學(xué)頻段的負(fù)折射,在光子晶體中實現(xiàn)了光學(xué)頻段的負(fù)折射。 光子晶體折射率周期（波長量級）調(diào)制的光學(xué)介質(zhì)。存在光子帶隙，類似于電子之于半導(dǎo)體。 光子晶體的負(fù)折射光子晶體在帶隙邊緣附近的特殊色散關(guān)系。,單晶硅背景中六角（又叫三角）排列著圓柱形空氣柱。 相鄰空氣柱之間的距離即為晶格常數(shù)a=196.2nm。 單晶硅的介電常數(shù)=11.7，即折射率n=3.42（單晶硅的色散很弱）。 空氣柱的半徑r=0.39a=76.5nm，即直徑d=153.0nm。 在波長為632.8nm的可見光波段有明顯負(fù)折射 現(xiàn)象。,,,,,,,光子晶體中正負(fù)折射,空氣中的正方排列的 介質(zhì)柱， 介質(zhì)柱半徑r=0.39a， 介電常數(shù)=11.29,光子晶體中正負(fù)折射,謝謝。,
負(fù)折射及其應(yīng)用-隱身衣的理論依據(jù)
