左手材料 负折射率材料.ppt

左手材料(Left-Handed Metamaterials)及负折射率的研究进展 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ε和磁导率μ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 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。 折射光仍然满足Snell定律 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。 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。 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)： ?x~2?/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 displays) * * 自然界中物质的μ和ε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μ和ε都小于零，方程(1)有波动解，电磁波能在其中传播。但是 、 、 之间不再满足右手螺旋关系而是满足左手螺旋关系。这种介质就被称为“左手材料” （Left-Handed Metamaterials) 通常的介质就被称为“右手材料” (Right-Handed Materials) 如果介质的μ和ε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。 S S E H k S k k E H k S k k 右手材料 ( e 0, m 0) 左手材料 ( e 0, m 0) (a) (b) E H S E H S E H E H 右手材料 ( e 0, m 0) 左手材料 ( e 0, m