左手材料簡(jiǎn)介課件

一、左手材料概念1、左手材料概念的提出左手材料就是介電常數(shù)ε<0、磁導(dǎo)率μ<0的材料，是一種人工制備的亞觀材料，在自然界中不存在天然的這類材料.命名緣由：當(dāng)平面電磁波在ε和μ同時(shí)為負(fù)值的材料中傳播時(shí)，電磁波的電場(chǎng)矢量E、磁場(chǎng)矢量H和波矢量k之間服從左手螺旋定則，因此將這類材料命名為左手材料（LHMs），相應(yīng)把遵循右手螺旋定則的材料命名為右手材料（right-handedmaterials，RHMs）。如果媒質(zhì)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率均為負(fù)數(shù)的話(左手材料),媒質(zhì)因具有負(fù)折射率而會(huì)表現(xiàn)出很多奇特的性質(zhì),如反多普勒效應(yīng)、反Snell定律、反切倫柯夫輻射。1996年，Pendry等首次制備出這個(gè)亞觀的左手材料。宏觀理解左、右手材料處于第四象限中的材料,其ε>0,μ<0,因而折射率也為虛數(shù).電磁波入射到處于第四象限中的材料的行為與入射到第二象限中的材料的行為相似。第三象限中的材料,其ε<0,μ<0,因而折射率n也為實(shí)數(shù).但與第一象限中材料的電磁波傳播性質(zhì)完全不同.在第三象限的材料中,電磁波的波矢和能流方向是反平行的,也就是說電磁波的群速和相速是反平行的.在ε<0,μ<0,MAXWELL方程仍然允許電磁波在材料中傳播,但此時(shí)材料的折射率n卻必須取負(fù)值?？傊?電磁波只能在折射率為實(shí)數(shù)的材料中傳播.若ε和μ中只有一個(gè)為負(fù)值，則折射率為虛數(shù),電磁波在材料中將由于只存在消逝波解而不能傳播.若材料的ε和μ均小于零時(shí),電磁波在材料中是可以傳播的,但材料的折射率必須取負(fù)值,且電磁波的群速和相速反平行.

電磁波在(a)右手材料(b)左手材料中之電場(chǎng)、磁場(chǎng)、波向量與能量流密度方向之間的向量關(guān)系

左手材料結(jié)構(gòu)單元一維左手材料和二維左手材料2.2紅外、可見光波段左手材料采用微結(jié)構(gòu)單元替代磁性材料中的原子和分子可實(shí)現(xiàn)高頻磁響應(yīng)。Yen等采用光刻蝕技術(shù)（photoproliferatedprocess）加工制備了結(jié)構(gòu)單元為30μm左右的銅SRRs陣列，制備的不同系列的SRRs樣品的幾何參數(shù)為：線寬4μm或6μm，內(nèi)外環(huán)間距2μm或3μm，外環(huán)邊長(zhǎng)分別為26μm，32μm，36μm，晶格常數(shù)分別為36μm，44μm，50μm。SRRs的材質(zhì)為銅，厚度為3μm，其基板為400μm微米厚的石英。100THz單諧振環(huán)磁響應(yīng)樣品2.3光子晶體實(shí)現(xiàn)左手材料理論研究表明銀納米線光子晶體可實(shí)現(xiàn)近紅外波段的負(fù)折射效應(yīng)，Berrier利用化學(xué)輔助離子束刻蝕技術(shù)在低折射率的InP基底中打出了半徑125nm，晶格常數(shù)為480nm的空氣柱光子晶體，首次實(shí)現(xiàn)了光子晶體紅外波段（1480nm）的負(fù)折射平板聚焦。ShuangZhang等人還在玻璃基板的兩面60nm厚的AL2O3的電解質(zhì)層上沉積30nm厚的Au，然后在上面打直徑為360nm，周期為838nm的洞，在2μm實(shí)現(xiàn)了負(fù)折射率。Berrier實(shí)驗(yàn)中的光子晶體成像三、左手材料的性質(zhì)Veselago的理論研究表明，左手材料具有如下奇特性質(zhì)。3.1負(fù)折射率效應(yīng)

由n1sinθ1=n2sinθ2可知：（a）n1>0,n2>0時(shí)，θ2>0，即入射光線位于介面法線的兩側(cè)；（b）

n1>0,n2<0時(shí)，θ2<0，那么入射光線與折射光線位于介面法線的同側(cè)。2、反多普勒效應(yīng)若光源發(fā)出頻率ω0

的光,而偵測(cè)器以速度v接近光源時(shí),在一般介質(zhì)之中偵測(cè)器所接收到的電磁波頻率將比ω0

高,而在左手材料中,因?yàn)槟芰總鞑サ姆较蚝拖辔粋鞑サ姆较蛘孟喾?所以如果二者相向而行,觀察者接收到的頻率會(huì)降低,則會(huì)收到比ω0低的頻率,反之則會(huì)升高,從而出現(xiàn)反多普勒效應(yīng)。3、左手材料的二次匯聚作用一個(gè)點(diǎn)光源,若放置在左手材料薄板前,該點(diǎn)光源在左手材料內(nèi)會(huì)匯聚成像一次;并且在左手材料薄板的另一側(cè),該點(diǎn)光源也會(huì)匯聚成像一次.下面圖示是就傳播波(propagatingwaves),即遠(yuǎn)場(chǎng)(thefarfield)而言的。完美透鏡對(duì)近場(chǎng)的匯聚作用從圖1.5中可以看到:(a)近場(chǎng)在光源至左手材料薄板的一側(cè)這段路程是按指數(shù)規(guī)律衰減的;(b)近場(chǎng)在左手材料薄板中被放大;(c)在左手材料薄板的另一側(cè)至成像點(diǎn)這段路程,近場(chǎng)又是按指數(shù)規(guī)律衰減的.左手材料對(duì)近場(chǎng)的放大作用是靠其表面等離子極化波.因此,用左手材料制成的透鏡其分辨率不受制于電磁波波長(zhǎng),Pendry稱其為完美透鏡(perfectlens).4、完美透鏡效應(yīng)對(duì)于普通的光學(xué)透鏡來說，由于倏逝波成分所攜帶的物體信息被丟掉了，所以普通的光學(xué)透鏡的分辨率總有一個(gè)可以和波長(zhǎng)λ相比擬的極限。而左手材料透鏡將不會(huì)丟失這些信息。左手材料透鏡可以將所有能量，完全復(fù)制到像點(diǎn)。因?yàn)樵讦藕挺倘珵樨?fù)值的時(shí)候，能流的方向和波矢方向總是相反的，因此常規(guī)材料中的衰減場(chǎng)進(jìn)入左手材料后會(huì)變?yōu)樵鰪?qiáng)場(chǎng)，常規(guī)材料中的增強(qiáng)場(chǎng)進(jìn)入左手材料后會(huì)變?yōu)樗p場(chǎng)。指數(shù)衰減的倏逝場(chǎng)進(jìn)入透鏡左端面后將變?yōu)橹笖?shù)增強(qiáng)場(chǎng)，左手材料平板可對(duì)常規(guī)材料中的倏逝場(chǎng)進(jìn)行放大。從而使攜帶物體更微觀細(xì)節(jié)信息的倏逝場(chǎng)參與了成像?！胺糯筮^”的倏逝場(chǎng)經(jīng)過透鏡右端面后重新變?yōu)樗p場(chǎng)，最后在像平面上恢復(fù)到原來的光場(chǎng)值。完美透鏡5、反常Goos-H?nchen位移

所謂的Goos-H?nchen位移是指當(dāng)光波在兩種介質(zhì)的分界面處發(fā)生全反射時(shí)，反射光束在界面上相對(duì)于幾何光學(xué)預(yù)言的位置有一個(gè)很小的側(cè)向位移，且該位移沿光波傳播的方向。

光波s分量和p分量的Goos-H?nchen位移大小為四、左手材料的應(yīng)用1、微波段左手材料在無線通訊領(lǐng)域?qū)⒂泻艽蟮膽?yīng)用前景?？捎米餮舆t線、耦合器、天線收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)、固態(tài)天線、濾波器、光導(dǎo)航、微波聚焦器等。微波左手材料還可廣泛應(yīng)用于微波器件。如微波平板聚焦透鏡、帶通濾波器、調(diào)制器、衛(wèi)星反向天線、基于傳輸線左手材料的前向波方向耦合器、寬帶相移器等。另外，反常Cherenkov輻射效應(yīng)可用于探測(cè)高能帶電粒子。左手材料還可以制作便宜而性能好的磁共振成像設(shè)備。手機(jī)輻射有望解決目前利用左手材料的性質(zhì)，已經(jīng)可以通過人造結(jié)構(gòu)來控制電磁波傳播方向，制成定向天線，可以使它只向基站方向發(fā)射信號(hào)，并通過相關(guān)技術(shù)阻止信號(hào)向人腦方向的傳播。隱身材料的實(shí)現(xiàn)左手材料制造的兵器可能將光線或雷達(dá)波反向散射出去，使得從正面接收不到反射的光線或微波，從而實(shí)現(xiàn)隱身。2、可見光波段左手材料的實(shí)現(xiàn)將有革命性的前景。左手材料能夠突破該衍射極限，可應(yīng)用于超靈敏單分子探測(cè)器，用于探測(cè)微量污染、極微量具有危險(xiǎn)性的生物化學(xué)藥劑、以及血液中標(biāo)癥早期疾病的蛋白質(zhì)分子和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域診斷成像等。

利用其負(fù)折射和倏逝波放大特性，可以用其制作集成光路里的光引導(dǎo)元件，有望制作出分辨率比常規(guī)光學(xué)透鏡高幾百倍的扁平光學(xué)透鏡。

左手材料也有望解決高密度近場(chǎng)光存儲(chǔ)遇到的光學(xué)分辨率極限問題，可能制作出存儲(chǔ)能量比現(xiàn)有DVD高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的新型光學(xué)存儲(chǔ)系統(tǒng)。3、左手材料納米天線納米天線是由納米金屬線和圓環(huán)組成，具有等離子體效應(yīng)，能對(duì)光子進(jìn)行直接操縱，引導(dǎo)光無損耗的繞過拐角，由光子取代電子來完成電子線路的基本功能。因?yàn)榧{米天線可用于制造新穎光子器件，如帶通濾波器、調(diào)制器、固態(tài)天線和體積小、速度快的芯片和電子計(jì)算機(jī)。紅外波段磁響應(yīng)的實(shí)現(xiàn)可應(yīng)用于生物安全成像、生物分子指紋識(shí)別、遙感、可視度極底的天氣下的導(dǎo)航、微型諧振腔、可調(diào)透鏡、隔離器等。五、左手材料的實(shí)驗(yàn)5.1實(shí)驗(yàn)裝置左手材料的透射實(shí)驗(yàn)、折射實(shí)驗(yàn)、和表面等離子極化波實(shí)驗(yàn)都是在二維散射室(2Dscatteringchamber)中進(jìn)行.該散射室上、下蓋板是兩塊平行的金屬鋁板,間距為0.4inches.因?yàn)轭l率f<15GHz的微波的半波長(zhǎng)要大于兩塊平行的金屬鋁板的間距,因此金屬邊界條件迫使微波的電場(chǎng)E平行于銅導(dǎo)線.微波吸收材料置于散射室的四周,它一方面能確保樣品區(qū)的微波可以用平面波展開,另一方面能盡量減少來自散射室邊緣的反射波.散射室的兩端連接著微波發(fā)生器和接收器及相關(guān)分析裝置.左手材料光學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置5.2透射實(shí)驗(yàn)5.2.1透射實(shí)驗(yàn)所用材料透射實(shí)驗(yàn)所用的左手材料為15cm2(30×30個(gè)單胞,晶格常數(shù)a=5mm),見下圖。圖a中的c=0.25mm,d=0.30mm,g=0.46mm,.w=2.62mm圖b中的銅導(dǎo)線長(zhǎng)度為10mm寬度為0.25mm,印刷電路版材料厚度為0.25mm.。印刷電路版材料上的銅層厚度為0.03mm。圖一LHM和SRRs的數(shù)值計(jì)算結(jié)果圖二LHM透射功率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖三LHM和SRRs透射功率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖四轉(zhuǎn)移矩陣法得到的LHM和SRRs透射功率5.2.2透射實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析從圖一可以看到:就SRR的色散關(guān)系而言,在頻率10.3-11.1GHz之間存在一個(gè)禁帶(位于圖中兩條虛線之間),這意味著在這個(gè)頻率段μeff為負(fù)數(shù).而左手材料(LHM)的色散關(guān)系表明:在頻率10.3-11.1GHz之間出現(xiàn)了一個(gè)導(dǎo)帶,如圖中的實(shí)線所示.從該實(shí)線可以推導(dǎo)出電磁波的群速度vg<0,因?yàn)関g=dω/dk<0.從圖二可以看到:左手材料的透射功率沿[10],[11],[01]三個(gè)方向并不完全重合,這意味著上述LHM并不是各向同性的(isotropic)。原因在于上述左手材料在組裝時(shí)存在一些誤差,而SRR的共振頻率對(duì)材料參數(shù)的微小變化極端敏感。

比較圖一和圖二,可以發(fā)現(xiàn)在頻率10.3-11.1GHz之間出現(xiàn)了透射功率,且數(shù)值仿真結(jié)果和透射實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。用轉(zhuǎn)移矩陣法計(jì)算得到的LHM和SRRs透射功率如圖四所示.

比較圖三和圖四,可以看到:理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好.這4個(gè)圖說明在頻率10.3-11.1GHz之間,按上述方法所制備的材料的確為左手材料(LHM).5.3折射實(shí)驗(yàn)左手材料與透射實(shí)驗(yàn)所用的左手材料相同,只是在組裝方面有些折射實(shí)驗(yàn)所用的不同,如圖1所示.實(shí)驗(yàn)裝置在透射實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上作了些改動(dòng),如圖2所示.圖中的黑色箭頭代表微波束;樣品和微波吸收材料置于上、下兩塊平行的圓形金屬鋁板之間,間距為1.2cm,圓形金屬鋁板的半徑為18cm.探測(cè)器可以沿著圓弧移動(dòng),以測(cè)量沿不同方向的透射功率.結(jié)果實(shí)驗(yàn)如下圖3所示.圖3的實(shí)驗(yàn)所使用的微波頻率為10.5GHz.因?yàn)門elfon的折射率nTelfon=1.4±0.1,因此可以預(yù)計(jì)在θ=27o應(yīng)該出現(xiàn)透射峰,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算值相符.而左手材料在,這意味著左手材料的折射率nTelfon=-2.7±0.1。圖1折射實(shí)驗(yàn)所用的楔型材料圖2折射實(shí)驗(yàn)裝置圖3左手材料折射實(shí)驗(yàn)結(jié)果5.4表面等離子極化波實(shí)驗(yàn)表面等離子極化波實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。在圖1中,如果沒有左手材料樣品(sample),那么當(dāng)入射角Θ>Θcritical時(shí),光束將全部被反射(totalinternalreflection,TIR).有了與三棱鏡(三棱鏡的折色率n=1..63)平行的左手材料樣品(sample),且樣品與三棱鏡之間的距離足夠近。那么當(dāng)入射角Θ>Θcritical時(shí)，入射光束將激發(fā)左手材料樣品的表面等離子極化波,因此左手材料樣品會(huì)吸收入射光束一定頻率段的一些能量.因?yàn)?在Θ>Θcritical時(shí)，垂直于三棱鏡和樣品介面的波矢是虛值,而平行于該介面的波矢是實(shí)值(這對(duì)應(yīng)于消逝波,evanescentwaves).這個(gè)消逝波會(huì)激發(fā)左手材料樣品的表面等離子極化波.因此,入射光束的一部分能量會(huì)消耗在激發(fā)過程中,反射功率譜將會(huì)在一定頻率段出現(xiàn)一些局部的極小值.圖1表面等離子極化波的實(shí)驗(yàn)裝置表面等離子極化波的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論計(jì)算結(jié)果見如圖2和圖3,圖中的數(shù)據(jù)只選取θ=40o,45o,50o.從圖2和圖3可以看到:在頻率8-12GHz之間，表面等離子極化波的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論計(jì)算結(jié)果并不一致.這是因?yàn)?如前所述,所制備的材料僅在頻率10.1