手性超材料研究進(jìn)展.doc

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1、手性超材料研究進(jìn)展鐘柯松2111409023物理1.引言超材料是右特殊電磁性質(zhì)的人造結(jié)構(gòu)性材料，其中一個典型的性質(zhì)就是負(fù)折射率。第一種負(fù)折射率材料1兩個部分纟J1成：一個是連續(xù)的金屬線，它來實現(xiàn)負(fù)介電常數(shù)2,另一個是開環(huán)諧振器，來實現(xiàn)負(fù)的磁導(dǎo)率3。在同時實現(xiàn)復(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率的時候，負(fù)折射率就是實現(xiàn)了。后來，人們大多數(shù)以這個原則4?5來設(shè)計負(fù)折射率材料。雖然負(fù)磁導(dǎo)率在微波段很容易實現(xiàn)，但是在光頻區(qū)域卻極其困難7,8。與此同時，Pcndry9,Tretyakov10,11和Monzon12等人從理論上提出了另一種利用手性實現(xiàn)負(fù)折射率的途徑。而手性材料層作為完美透鏡也從理論上實現(xiàn)了9?13。

2、在這些報告中，卩endry提出了一種3D螺旋線結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)負(fù)折射率的手性超材料9oTretyakov等人則在理論上研究了在手性和偶極粒子手性復(fù)合材料中得到負(fù)折射率的可能性11。理論表明，負(fù)折射率是可以在以3D螺旋對稱為晶格的金屬球超材料中可以得到14o同時也表明，周期上的手性散射是3D和各向同性負(fù)折射率的原因15o實際上，Bose曾經(jīng)在1898年利用螺旋結(jié)構(gòu)研究了平面偏振電磁波的旋轉(zhuǎn)16。Lindman也是研究微波段人造手性介質(zhì)的先驅(qū)17。最近，Zhang等人在實驗上實現(xiàn)了一個3D于性超材料在THz波段的負(fù)折射率18。Wang等人則在微波段同時實現(xiàn)了3D于-性超材料的負(fù)折射率和巨大的光學(xué)活性

3、和圓二色性19,20。但是，這些提到的3DT-性超材料都很難構(gòu)建。同時，平面手型超材料顯示了光學(xué)活性也被報道了21?24。這里需要指岀的是，平面手性結(jié)構(gòu)是正真的3D手性結(jié)構(gòu)是不同的。Arnau""Davis第一次把平面手性結(jié)構(gòu)引入到了電磁波的研究中25,26。一個結(jié)構(gòu)如果被定義為手性結(jié)構(gòu)，那么它應(yīng)該是在任何平面是沒有鏡面對稱的，然而，一個平面結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是手性的，則它是不能和它在該平面上的鏡像巫疊的,除非它不在這個平面上。實際上，一個平面手性結(jié)構(gòu)還是和鏡像鏡面對稱的。在垂直入射的情況下，在光傳播方向上鏡面對稱的結(jié)構(gòu)是沒有光學(xué)活性的27o除非在這個結(jié)構(gòu)上增加襯底來打破傳播方向上的鏡血對稱，這樣

4、光學(xué)活性就能得到了22?24。然而，手性在這些結(jié)構(gòu)是非常微弱的。后來，Rogacheva等人進(jìn)一步地提出了雙層的手性結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)出了很強(qiáng)的光學(xué)活性28。這個兩層的花環(huán)狀的平面金屬層相互平面扭和在兩個平面中，它們也不像3D手性原胞一樣連接在一起18-20,二是通過電磁場來相互耦合。它的光學(xué)活性強(qiáng)到了整個結(jié)構(gòu)都顯示出了負(fù)折射率。在這個開創(chuàng)性的工作下，一些不同的雙層手性結(jié)構(gòu)，從微波段到近紅外波段被相繼的提出。如雙層花環(huán)結(jié)構(gòu)29,30,雙層十字線結(jié)構(gòu)31,32,金屬切線對33,卍字結(jié)構(gòu)34,四個'U'型結(jié)構(gòu)35-37,互補(bǔ)性手性結(jié)構(gòu)處等等。另外，多層的平面手性結(jié)構(gòu)也被提了出來29,39。它表明，在構(gòu)

5、建體手性超材料時，鄰近原胞Z間的耦合效應(yīng)也應(yīng)該考慮在內(nèi)。山于存在這個耦合效應(yīng)，體手性超材料和單原胞手性超材料的性質(zhì)存在差異39。當(dāng)手性超材料在負(fù)折射率帶中工作是，品質(zhì)因素(FOM)來評估它的損耗級別40。FOM被定義為折射率實部和虛部比值的絕對值。在一個波長對應(yīng)的介質(zhì)中波振幅衰竭為exp(-2tt/FOM)o為了得到高的FOM,—種復(fù)合的手性超材料在最近提了出來41。另外，可調(diào)節(jié)的手性超材料也有報道42。基于傳輸和反射參數(shù)的冇效折射率的提取是一種在表征設(shè)計的超材料是的方便冇用的手段43?47。隨著手性超材料研究的進(jìn)展,負(fù)折射率川其他提取方法中也得到了18,29,4&49。Zhao等人總結(jié)了

6、這些提取方法，簡練出了兒個簡單的公式，這在手性超材料的研究中是非常有用的50o非互易式傳輸在信息處埋中起到了至關(guān)巫要的作用，點偶極子就是一個典型的例子，它在電流冋路中顯示出了非互易式的響應(yīng)，這給研究光的菲互易式傳輸帶來了很大的啟發(fā)。在光學(xué)中，一般有兩種方法來得到非互易。一種是利用磁光介質(zhì)來打炮時間上的反轉(zhuǎn)對稱，這就在介電張量中引入了非對稱的非對角元索51。另一種方法是利用非線性介質(zhì)52,53。然而，非互易式光的傳輸已經(jīng)實現(xiàn)，通過復(fù)數(shù)光學(xué)勢來打破平價時間對稱54。2.手性超材料的物理性質(zhì)和有效參數(shù)的獲取2.1.手性介質(zhì)的物理性質(zhì)（1）在?U磁響應(yīng)方面來講，手性材料被表征為電場和磁場之間在同一

7、方向上的雜交耦合。卜11磁波在這類手性結(jié)構(gòu)中的傳播滿足本構(gòu)關(guān)系°4：其中，是真空中的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率,「是手性介質(zhì)的相對介電常數(shù)和相對磁導(dǎo)率。D、（一iidc、處、P丿C是真空中光的傳播速度，K是電磁場Z間雜交耦合效應(yīng)的手性量。山于K的存在，兩種圓偏振光之間的簡并就被破壞了，使得一種圓偏振光的有效折射率增加了，而另一種減小了。假設(shè)時間獨立為C血，那么右圓偏振光（RCP,+）和左圓偏振光（LCP,-）分別定義為E±=-E0