1、左手材料(Left-Handed Metamaterials)及负折射率的研究进展,报告人： 沈江汉 导师： 刘中民 研究员 辅助导师： 王华 副研究员,Seminar I,主要内容,什么是左手材料（Left-Handed Metama-terials)与负折射率左手材料的研究与进展负折射率的应用前景,左手材料（LHM）与负折射率,在经典电动力学中，介质的电磁性质可以用介电常数和磁导率两个宏观参数来描述。正弦时变电磁场的波动方程（Helmholtz方程）为： （1） 其中,自然界中物质的和一般都与电磁波频率有关，并且在 大多数情况下都为正数，此时方程(1)有波动解，电磁波能在其中传播。对于无损
2、耗、各向同性、空间均匀的介质，由Maxwell方程组能推出 可见， 、 、 之间满足右手螺旋关系。,如果介质的和两者之间一个为正数而另一个为负数， 则k20，k无实数解；即方程(1)无波动解，电磁波不能在其中传播。,由于电磁波能流的方向取决于玻印廷矢量S的方向，而 ， 即 、 、 始终构成右手螺旋关系。因此在左手材料中，（它的方向代表电磁波相速的方向）和 的方向相反。 为负数，介质的折射率 也为负数，所以这种介质也被称为“负折射率物质”（Negetive Index of Refraction Material) 在左手材料中，电磁波的相速度和群速度方向相反，从而呈现出许多新颖的光学特性。,折
3、射光仍然满足Snell定律,Fig 2. (a) 入射光在经过一般介质与左手材料接口时，折射光偏折方向会与入射光在法线的同一边。 (b) 以左手材料为材质制作的凸透镜或凹透镜，分别会表现出散光或聚光的效果。(c) 平板状的左手材料，会有类似一般凸透镜的聚光效果。,1,2,反常的Doppler效应,若光源发出频率 w0 的光，而侦测器以速度v接近光源时，在一般介质之中侦测器所接收到的电磁波频率将比 w0高，而在左手材料中，则会收到比w0低的频率。,Fig 3. 一般介质与左手材料中Doppler效应的比较。,反常的Cerenkov效应和光压,在 Cerenkov 辐射效应中，当一个粒子在介质中以
4、速度 v 沿一直线运动，其辐射出的场会遵循 的形式，波向量 k (k=kz/cosq) 的方向会主要顺着v的方向，但kr 方向分量则在一般介质与左手材料中恰好会完全相反。 电磁辐射对反射体造成的光压，在左手材料的环境之中形成对反射体的拉曳力，而不是如在一般介质中的压力。,Fig 4. 一般介质与左手材料中的比较：(a) Cerenkov效应；(b) 光压,左手材料的研究与进展,左手材料的研究与进展,负折射率的应用发展前景,负折射率材料可以用于平板透镜，光束控制，耦合器等方面。“完美透镜” (Perfect Lens)的概念与应用传统透镜的分辨率限制(diffraction limit)： x2
5、/k= 这也是造成DVD读写密度限制和光刻电路密度限制的主要原因。左手材料制成的透镜，在合适的条件下，可以成为“完美透镜”，实现亚波长分辨率。,“完美透镜”的局限与解决方法 虽然负折射率材料制成的“完美透镜”可以实现亚波长分辨率，但是实现“完美透镜”的条件是相当苛刻的。目前还只能在微波区段实现负折射率，而且频率范围很窄。它们都是对电磁波有较大的损耗，而且很难将尺寸制作到足够小以至于在光学频率下使用。,光子晶体 (Photonic Crystals),Fig 11. Photonic Crystals: (a), (b) Holes-in-dielectric; (c) rods-in-air,
6、光子晶体(PC)是由两种或两种以上的电介质材料周期性排列而成的人造材料，排列周期为波长量级，具有光电带隙，可以控制电磁波在其中的传播。在一定条件下，它也可以表现出负折射率的现象。,Parimi P., Lu W., et al. ,Phy. Rev. Lett. ,2004,92,127401,Fig 12 (a) Experimental setup (not to scale). (b) Propagation vectors for positive and negative refraction. (c) (f ) Microwave electric field maps in th
7、e far field region. (c) Negative and (e) positive refraction by the metallic PC prism for the incident beam along K (incident angle 30 ). WF(wave front) with respect to refracting surface. (d) Negative refraction for the incident beam along M (incidence angle 60). (f ) Positive refraction by a polys
8、tyrene prism. In all the field maps, approximate area of each field map is 43 40 cm2.,光子晶体的 “等效负折射率”可以由构成材料的电介质的介电常数和材料周期性来调整，而且在高频率下有着很低的电磁损耗，三维PC比较容易制成，因此PC比左手材料更容易实现红外和光学频率下的应用。,展望,光刻蚀技术(photolithography) 近场光学显微仪 (near-field optical microscopy) 可选波长的滤光器 (wavelength-tunable filter) 光学显示器 (optical
9、displays),新材料往往伴随着新现象和新技术的发展。随着负折射率材料的发展，许多原有的技术将得到新的发展。,Fig 5. (A) A negative index metamaterial formed by SRRs and wires deposited on opposite sides lithographically on standard circuit board. The height of the structure is 1 cm. (B) The power detected as a function of angle in a Snells law experi
10、ment performed on a Teflon sample (blue curve) and a negative index sample (red curve).,Shelby R. ,Smith D.R. ,et al ,Science ,2001,292,77,Fig 6. Unit cell of the 901 HWD structure. The direction of propagation of the electromagnetic field is along the x axis, the electric field is oriented along th
11、e z axis, and the magnetic field is along the y axis. C=0.025 cm, D=0.030 cm, G=0.046 cm, H= 0.0254 cm, L= 0.33 cm, S= 0.263 cm, T= 17.010-4 cm, W= 0.025 cm, and V= 0.255 cm.,Fig 7. Schematic of the setup used in the Snells law experiment showing the conical horn, lens, sample, and waveguide detecto
12、r. The measurements were made in the focused and collimated mode at 33 and 66 cm away from the sample.,Parazzoli C. G. ,Greegor R. B. ,et al , Phys. Rev. Lett. ,2003,90,107401,Fig 8. Surface plot of measured normalized Ez(r,f ). Refracted peaks :by Teflon at 48.2(n=1.4) and is independent of frequen
13、cy; by the NIM , however, at 12.6GHz,-30.6 (n=-1.0454) that are a function of the frequency.,Fig 9. (a) Measured angular profile of the normalized Ez(r), at f =12.6 GHz for detector distances of 33 and 66 cm from the wedges. (b) Measured 33 cm data compared to simulated results at 33, 66, and 238 cm
14、 (100)from the wedges.,Fig 10. Perfect lensing in action: (A) the far field and (B) the near field, translating the object into a perfect image. (C) Microwave experiments* demonstrate that subwavelength focusing is possible, limited only by losses in the system. (D) Measured data compared to the perfect results. Losses limit the resolution to less than perfect but better than the diffraction limit.,* Grbic A. ,Eleftheriades G. , Phy. Rev. Lett. ,2004,92,117403,mo磁共振频率； mp磁等离子化频率eo电子共振频率； ep电等离子化频率,只要0 p，e、就可以同时为负数。,
