負(fù)折射材料的光學(xué)特性研究課件

負(fù)折射材料的光學(xué)特性研究此處略去姓名論文的主要工作1.光在負(fù)折射率介質(zhì)中的反常折射2.負(fù)折射材料的發(fā)展與應(yīng)用3.含負(fù)折射材料一維光子晶體的能帶特性負(fù)折射材料的概念

負(fù)折射材料是指媒質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)，此時(shí)折射率

也為負(fù)的介質(zhì)。

當(dāng)光從普通介質(zhì)入射到負(fù)折射率介質(zhì)時(shí)，根據(jù)

將會(huì)出現(xiàn)負(fù)的折射角，即入射光線和折射光線在法線的同側(cè)。

負(fù)折射材料的非尋常折射

正折射材料負(fù)折射材料

棱鏡的折射

負(fù)折射材料正折射材料

負(fù)折射材料透鏡的折射

負(fù)折射材料負(fù)折射材料平板的折射

負(fù)折射材料制作的平板將點(diǎn)源0發(fā)出的射線聚焦在其對(duì)稱點(diǎn)O’上，具有成像功能。Snell定律考慮到負(fù)折射率，可以將折射定律改寫為

折射角與入射角均取正值，P1,P2，代表介質(zhì)的旋向，旋向相同時(shí)，其比值為1，旋向不同時(shí)，其比值為-1。

負(fù)折射材料的發(fā)展

發(fā)展簡(jiǎn)述

1968年，前蘇聯(lián)物理學(xué)家Veselago發(fā)表了他在理論研究中對(duì)物質(zhì)電磁學(xué)性質(zhì)的新發(fā)現(xiàn)，即當(dāng)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都為負(fù)值時(shí)，電場(chǎng)矢量、磁場(chǎng)矢量和波矢量之間構(gòu)成左手關(guān)系，并稱這種假想的物質(zhì)為左手材料。

2001年，美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校的DavidSmith等物理學(xué)家根據(jù)Pendry等人的建議，利用以銅為主的復(fù)合材料首次在微波段制造出一維的負(fù)折射率材料。美國(guó)Shelby等人制備出了二維負(fù)折射率材料。

2002年7月，瑞士ETHZ實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們宣布制造出三維的負(fù)折射率材料。負(fù)折射材料的應(yīng)用負(fù)折射材料在雷達(dá)天線、通信器件、軍事隱身技術(shù)中都有應(yīng)用

圖為美國(guó)杜克大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系D．R．Smith教授等人和英國(guó)帝國(guó)學(xué)院物理系Pendry教授等人合作，基于人工電磁材料在微波頻段設(shè)計(jì)的一個(gè)二維電磁波傳播路徑圖，圓環(huán)內(nèi)的部分代表負(fù)折射率材料，實(shí)線代表波的傳播，可以看出，電磁波在材料內(nèi)部發(fā)生了彎曲，從整個(gè)大圓壓縮到圓環(huán)內(nèi)，在中間形成一個(gè)沒(méi)有波傳播的“空洞”。人之所以能看見(jiàn)物體，是因?yàn)樵撐矬w阻擋了光線，并將其反射至人眼；雷達(dá)則是利用發(fā)射電磁波遇到物體反射回來(lái)，形成一個(gè)可以探測(cè)到的影子。而電磁波或光波對(duì)于負(fù)折射率材料覆蓋的空間既沒(méi)有波的折射，也沒(méi)有散射，而是繞過(guò)“空洞”傳播，如果將物體放在洞中，因?yàn)闆](méi)有波觸及物體，也就沒(méi)有攜帶關(guān)于物體信息的波被反射回來(lái)，因此人或雷達(dá)等也就不可能發(fā)現(xiàn)物體，從而使物體產(chǎn)生了視覺(jué)隱身。光子晶體簡(jiǎn)介光子晶體是折射率在空間周期性變化的介電結(jié)構(gòu)，光子晶體最重要的特性是帶隙特性，即頻率在一定范圍內(nèi)的入射光在光子晶體中禁止傳播。光子晶體根據(jù)其空間的周期性分布可分為一維、二維、三維光子晶體。

含負(fù)折射率材料一維光子晶體能帶研究

構(gòu)成一維光子晶體的周期結(jié)構(gòu)可以表示如下：根據(jù)布洛赫波理論，可以得到一維光子晶體的色散關(guān)系

K為布洛赫波矢沿z向分量的振幅，為歸一化頻率為折射角根據(jù)以上公式，可以得到光束入射到光子晶體中的色散關(guān)系，即能帶結(jié)構(gòu)。能帶隨入射角的變化特征取n0=n1=1,n2=2.4,t1=0.85,t2=0.15,a=1改變

能帶隨入射角的變化特征

僅改變n2=-2.4

通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)，含負(fù)折射材料的光子晶體與正折射材料的光子晶體相比，具有更寬的禁帶，更窄的允許帶，禁帶的中心頻率和寬度對(duì)入射角的變化不敏感。能帶隨折射率的變化特征取n0=1,n2=2.4,t1=0.85,t2=0.15,a=1改變n1n1=1n1=3比較可知，正折射率光子晶體的禁帶隨折射率的變化非常大，隨著n1由1增加到3，禁帶的頻率寬度迅速減小。能帶隨光學(xué)厚度的變化特征取n0=n1=1，n2=2.4，改變a=1為a=4，t1，t2依比例變?yōu)?.4，0.6n2=2.4n2=-2.4

正負(fù)折射率交替結(jié)構(gòu)的光子晶體中，電磁波的禁帶隨光學(xué)厚度的變化十分明顯，禁帶的頻率寬度隨光學(xué)厚度的增加而迅速減小，但允許帶的頻率寬度則變化很小。正折射率光子晶體的禁帶也隨光學(xué)厚度有較大的變化，禁帶的頻率寬度也隨光學(xué)厚度的增加而減小，但是不如折射率正負(fù)交替結(jié)構(gòu)的光子晶體那樣劇烈。

結(jié)論

利用一維光子晶體的色散關(guān)系，研究了在正負(fù)折射率交替結(jié)構(gòu)的光子晶體的能帶隨入射角、隨折射率、隨光學(xué)厚度的變化特征，并與普通正折射率光子晶體能帶的對(duì)應(yīng)特征作了比較。

得出：正負(fù)交替結(jié)構(gòu)的光子晶體禁帶非常寬，允許帶非常窄，禁帶的中心頻率和寬度對(duì)入射角的變化不敏感。在正負(fù)折射率交替結(jié)構(gòu)的光子晶體中，電磁波的禁帶隨折射率n的變化較小，這說(shuō)明不管正折射率材料選用何種折射率的介質(zhì)時(shí)，都能得到頻率寬度較大的禁帶。禁帶隨光學(xué)厚度的變化十分明顯，