左手材料(Left-Handed课件.ppt

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1、(Left-Handed Metamaterials)及负折及负折射率的研究进展射率的研究进展 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 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

2、 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(c)左手材料(c)左手材料(c)左手材料(b)左手材料左手材料(b)左手材料左手材料(b)左手材料左手材料2EvSvkv(10,10)(20,20,10)(20,20,20)右手材料反常的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

3、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。Skk kS SkvSv光源光源vv侦测器光源光源侦测器左手材料中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v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/cos)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。v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。vkzSkkrkSvkzSkkrkrkSvkzkkv左手材料

4、中krSk2k反射體光源k2k反射体光源左手介質中Sk2k光源2k光源左手材料中S反射体(b)(a)Fig 4.一般介质与左手材料中的比较：(a)Cerenkov效应；(b)光压&2000年，Smith等人将金属丝板和SRR板有规律地排列在一起，制作了世界上第一块等效介电常数和等效磁导率同时为负数的介质。Smith D.R.,Willie J.,et al.,Phys.Rev.Lett.,2000,84,4184左手材料的研究与进展&2003年，Parazzoli等人在实验和数值模拟上进一步验证了NIM中的Snell定律，为左手物质是否真实存在的争论暂时划下了一个句点。Parazzoli C.

5、G.,Greegor R.B.,et al,Phys.Rev.Lett.,2003,90,107401&2001年，Shelby等人首次在实验上证实了当电磁波斜入射到左手材料与右手材料的分界面时，折射波的方向与入射波的方向在分界面法线的同侧。Shelby R.,Smith D.R.,et al,Science,2001,292,77v“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

6、体(Photonic Crystals)Parimi P.,Lu W.,et al.,Phy.Rev.Lett.,2004,92,127401Fig 12(a)Experimental setup(not to scale).(b)Propagation vectors for positive and negative refraction.(c)(f)Microwave electric field maps in the far field region.(c)Negative and(e)positive refraction by the metallic PC prism for

7、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 polystyrene 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

8、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)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 an

9、d 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 experiment performed on a Teflon sample(blue curve)and a negative index sample(red curve).Shelby R.,Smith D.R.,et al,Science

10、,2001,292,77Fig 8.Surface plot of measured normalized Ez(r,f).Refracted peaks:by Teflon at 48.2(n=1.4)and is independent of frequency;by the NIM,however,at 12.6GHz,-30.6(n=-1.0454)that are a function of the frequency.Fig 9.(a)Measured angular pro the normalized Ez(r),at f=12.6 GHz for detector dista

11、nces of 33 and 66 cm from the wedges.(b)Measured 33 cm data compared to simulated results at 33,66,and 238 cm(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.CD*Grbic A.,Eleftheriades G.,Phy.Rev.Lett.,2004,92,117403