負折射及其應(yīng)用隱身衣的理論依據(jù)課件

1、左手系中的光學現(xiàn)象負折射及其應(yīng)用報告人：李永平 2008.11.17內(nèi)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(yīng)、反Goos-Hanchen位移、負光壓、超級透鏡負折射率材料的應(yīng)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(zhì)中，電場、磁場和波矢成左手

2、系，所以，負折射率介質(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(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。ABOn1n2ablyABOO1212n1n2yablyABO12n1n2yablABO12n1n2ably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(zhì)，并觀察到了其中的反常折射定律。負的介電常數(shù)

3、可以由長金屬導線陣列（the array of long metallic wires，ALMWs）這種結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhì)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(zhì)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

4、介質(zhì)中的反常Cherenkov輻射ABC沖擊波波面右手介質(zhì)中的沖擊波方向左手介質(zhì)中的沖擊波方向右手介質(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

5、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(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預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.倏逝波i1i1i

6、2n1n2k1k1k2xz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(zhì)，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(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)成一塊透鏡；2

7、、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(yīng)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(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)中的衰減場進入左手介質(zhì)后變?yōu)樵鰪妶觯喈斢谧笫纸橘|(zhì)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(zhì)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

8、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(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(guān)基礎(chǔ)性問題研究”列為主要探索內(nèi)容之一；在數(shù)理部和信息科學部聯(lián)合的“周期和非周期微結(jié)構(gòu)的新光子學特性”主題中將“周期及非周期微結(jié)構(gòu)中在太赫茲、近紅外及可見波段的負折射效應(yīng)研究”列為主要探索內(nèi)容之一；基金委信息學部將“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(diào)制的光學介質(zhì)。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(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