負折射及其應用-隱身衣的理論依據(jù).ppt

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左手系中的光學現(xiàn)象 ——負折射及其應用,報告人：李永平 2008.11.17,內容提綱,負折射率的預言 負折射率材料的實現(xiàn) 負折射率材料的特性 反常Cherenkov輻射、反常Doppler效應、反Goos-Hanchen位移、負光壓、超級透鏡 負折射率材料的應用 光子晶體中的負折射（提及）,負折射率的預言,那么折射率就有正負兩個根： 我們習慣上舍棄負根，只保留正根。 什么情況下折射率才取負值？,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) 、磁導率 同號。,Veselago在1967年預言了負折射率的存在。 由于在此介質中，電場、磁場和波矢成左手系，所以，負折射率介質又稱左手介質，相應地，正折射率介質被稱為右手介質。負折射率材料中，能流方向和相速度方向相反。,負折射現(xiàn)象,兩點A和B分別在折射率為n1和n2的均勻介質中，到界面的距離分別為a和b，兩點沿界面的距離為l，設折射點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,θ1,θ2,n1,n2,,,a,b,l,,y,負折射材料的研制,2001年加州大學的David Smith等人根據(jù)Pendry等人的建議，利用以銅為主的復合材料首次制造出在微波波段具有負介電常數(shù)、負磁導率的物質，并觀察到了其中的反常折射定律。 負的介電常數(shù)可以由長金屬導線陣列（the array of long metallic wires，ALMWs）這種結構獲得。 負的磁導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構,左手材料的研制被《科學》雜志評為2003年度 全球十大科學進展。,實驗觀測負折射,超音速 在真空中，勻速運動的帶電粒子不會輻射電磁波。 在介質中，當帶電粒子勻速運動時會在其周圍引起誘導電流，從而在其路徑上形成一系列次波源，分別發(fā)出次波。 當粒子速度超過介質中光速時，這些次波互相干涉，從而輻射出電磁場，稱為Cherenkov輻射。,負折射率介質中的反常Cherenkov輻射,,,右手介質 左手介質,干涉后形成的波前，即等相面是一個錐面。 右手介質中，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,聲波的Doppler效應。 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：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： 右手介質中，探測到的頻率變高； 左手介質中，探測到的頻率變低。,負光壓——光子動量,反Goos-Hanchen位移,所謂的Goos-Hanchen位移是指當光波在兩種介質的分界面處發(fā)生全反射時，反射光束在界面上相對于幾何光學預言的位置有一個很小的側向位移，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.,倏逝波,,由邊值條件，折射波的表達式,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，光仍然要進入第二介質，這并不違反能量守恒定律。入射波的能量不是在嚴格的界面上全反射的，而是穿透介質2內一定深度后逐漸反射的。,Goos-Hanchen位移,右手介質－右手介質界面 右手介質－左手介質界面,超級透鏡（完美透鏡）,Pendry在2000年提出利用負折射率材料制作“超級透鏡”。 2000與2001年所發(fā)表的關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、一塊平板就能構成一塊透鏡； 2、所有傅立葉分量全部聚焦； 3、能放大倏失波。,頻率為ω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)光學透鏡參與成像的成分為 故分辨率為,當 ，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的效應相當于復振幅乘以 。對于倏逝波，相當于場的指數(shù)衰減或者增強。 由于左手介質和右手介質中波矢k的方向恰巧相反，所以右手介質中的衰減場進入左手介質后變?yōu)樵鰪妶?，相當于左手介質對其進行放大，放大后的倏逝場經(jīng)過透鏡右端進入右手介質后重新衰減，最后在像平面上恢復為原來的值，參與成像。,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：復旦大學、同濟大學、香港科技大學、中科院物理研究所、南京大學、北京大學、西北工業(yè)大學。 國家自然科學基金委將左手材料和負折射效應的研究列入了2005年重點交叉項目指南： 在數(shù)理部和工程與材料學部聯(lián)合的“準相位匹配研究中的若干前沿課題”主題中將“左手材料相關基礎性問題研究”列為主要探索內容之一；在數(shù)理部和信息科學部聯(lián)合的“周期和非周期微結構的新光子學特性”主題中將“周期及非周期微結構中在太赫茲、近紅外及可見波段的負折射效應研究”列為主要探索內容之一；基金委信息學部將“異向介質理論與應用基礎研究”列入2005年重點項目指南，異向介質即是左手材料的另一個名稱。,光學頻段的負折射,在光子晶體中實現(xiàn)了光學頻段的負折射。 光子晶體——折射率周期（波長量級）調制的光學介質。存在光子帶隙，類似于電子之于半導體。 光子晶體的負折射——光子晶體在帶隙邊緣附近的特殊色散關系。,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折射 現(xiàn)象。,,,,,,,光子晶體中正負折射,空氣中的正方排列的 介質柱， 介質柱半徑r=0.39a， 介電常數(shù)?=11.29,光子晶體中正負折射,謝謝。,