左手材料及其光學(xué)特性

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1、左手材料及其光學(xué)特性作者：郭嘉琛論文摘要：左手材料是一種人工制備的具有亞觀結(jié)構(gòu)的材料，因?yàn)槠洫?dú)特的電磁學(xué)特性，在很多方面都具有潛在的應(yīng)用價值。本文簡要介紹了左手材料在完美透鏡、一維光子晶體、薄板波導(dǎo)等方面的研究進(jìn)展，對其理論研究和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了評述，并探討了其發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：左手材料光子晶體薄板波導(dǎo)1.概論1.1一左手材料的完美透鏡作用：右手材料制成的光學(xué)透鏡具有一些局限性，如其最大分辨率受制于電磁波的波長，而左手材料制成的透鏡可以實(shí)現(xiàn)對消逝波(evanescentwaves)的成像，因此它突破了傳統(tǒng)透鏡的最大分辨率受制于電磁波波長的局限，

2、被稱之為完美透鏡。Veselago的理論研究表明：理想的無損耗的且介電常數(shù)￡=-1，磁導(dǎo)率u=-1的左手材料薄板對傳播波(遠(yuǎn)場)具有二次聚焦作用，而Pendry對此的進(jìn)一步研究表明，左手材料薄板對消逝波(近場)也具有二次匯聚作用，因此，Pendry提出左手材料薄板可用來制作完美透鏡，它可實(shí)現(xiàn)對消逝波的成像。我的進(jìn)一步研究指出，左手材料薄板對消逝波的確具有放大作用，但對薄板的厚度具有一定的限制，而材料的吸收會嚴(yán)重?fù)p害其對消逝波的放大作用。左手材料薄板對消逝波具有放大作用，是因?yàn)橄挪ㄅc表面等離子極化波的相l(xiāng)瓦作用。當(dāng)過渡層的厚度遠(yuǎn)小于真空中的波

3、長時，過渡層會在左手材料的頻率段產(chǎn)生一個表面模，該表面模對完美透鏡成像的最小橫向波長施加了限制：表面模對傳播波的影響沒有對消逝波的影響那么明顯1．2二維近場透鏡完美透鏡對消逝波的成像不能采用傳統(tǒng)的光線圖描述，因?yàn)橄挪?近場)到達(dá)成像點(diǎn)是個諧振過程。而且在近場條件下，電磁場可分解為靜電場和靜磁場，對于TE極化(Spolarization)的近場中，磁場居于支配地位；對于TM極化(Ppolarization)的近場中，電場處于支配地位。因此研究完美透鏡對近場的成像就可借用靜電(磁)場理論中求電(磁)勢的方法，此時保角變換是研究完美透鏡近場成像的

4、一種簡便方法，但必須注意到完美透鏡近場成像的核心是表面等離子極化波。在此基礎(chǔ)上提出了幾種具有放大或縮小的二維完美透鏡，如圓柱環(huán)完美透鏡，它可將圓柱環(huán)外面的物體成像于圓柱環(huán)內(nèi)部，這是縮小像；也可將圓柱環(huán)內(nèi)部的物體成像在外面，這是放大像。這個效應(yīng)可用于提高掃描近場光學(xué)顯微鏡的分辨率。1．3三維近場透鏡文獻(xiàn)提出了一種球形完美透鏡，其球殼是介電常數(shù)為e．(r)一I／而磁導(dǎo)率為H一(，)。c—l／r的左手材料，其他區(qū)域是介電常數(shù)為s+(，)。c1／r，磁導(dǎo)率為p+(，)OF．1／r的右手材料。消逝波場在左手材料區(qū)域?qū)⒈环糯蟆Ａ硪晃墨I(xiàn)研究了有損耗的不對稱

5、的完美透鏡，結(jié)果表明，此類透鏡對消逝波也有放大作用，因此可作為完美透鏡，而且不對稱的完美透鏡對材料的損耗效應(yīng)不顯著，更具有穩(wěn)定性。有人利用傳輸函數(shù)研究左手材料參數(shù)偏移對它的影響，計(jì)算表明：傳輸函數(shù)對介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的偏移非常敏感，完美的左手材料透鏡對偏移量的要求十分苛刻，因此人們得出結(jié)論：要得到工程意義上的完美左手材料透鏡是相當(dāng)困難的。1．4各向異性左手材料制作的完美透鏡.人工制各的左手材料實(shí)際上是二維的，是各向異性或單軸各向異性的，因此描述其介電常數(shù)須用張量形式。有關(guān)文獻(xiàn)研究了電磁波在各向異性左手材料中的傳播及在其界面上的反射和折射，得到了

6、出現(xiàn)反常的反射和折射(不符合Snell定律)的條件，以及出現(xiàn)反常的透射(即消逝波在其中得到放大)的條件。還有文獻(xiàn)提出了如何利用各向異性左手材料制作完美透鏡的方法，在結(jié)構(gòu)的不同部位采用不同的左手材料，使得一部分子結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)負(fù)折射，另一部分子結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)正折射.2．1左手材料與右手材料的界面有人曾經(jīng)質(zhì)疑左手材料不可能存在，因?yàn)樗麄冋J(rèn)為左手材料違背光速上限和因果律。2003年初C．Parazzoli與G．Eleft—heriades所領(lǐng)導(dǎo)的兩組研究人員分別發(fā)表了微波波段負(fù)折射物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)報告，同時，S．Foteinopou1ou也發(fā)表了左手材料的理論模擬結(jié)

7、果。利用光子晶體作為介質(zhì)，計(jì)算中發(fā)現(xiàn)電磁波的波前遇到左手材料時，折射并不是立即發(fā)生，而是在界面捕捉入射波波前一段時間后才出現(xiàn)折射波.可認(rèn)為，該延遲現(xiàn)象說明電磁波波前的一端并不需要無限大的光速傳遞才能從右手材料進(jìn)入左手材料，也不違反因果律。左手材料的主要性質(zhì)一一負(fù)折射是發(fā)生在左手材料與右手材料的界面上的-，所以，如果在一維光子晶體中交替地引入右手材料與左手材料層，將會出現(xiàn)一些新的性質(zhì)。有關(guān)文獻(xiàn)在研究由左、右手材料構(gòu)成的一維光子晶體時，發(fā)現(xiàn)了其特有的zero一萬能帶，zero一萬能帶是平均折射率為0的能帶，這表明，折射率從小于1到大于1并沒有發(fā)生

8、突變，而是存在一個過渡區(qū)域，在這個過渡區(qū)域內(nèi)折射率經(jīng)過從小于1到大于1的變化。這個過渡區(qū)域位于左、右手材料的分界面，在這個分界面附近的左、右手材料內(nèi)，其折射率與氣體