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(jià)值。本文簡(jiǎn)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(duì)其理論研究和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了評(píng)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(zhǎng)，而左手材料制成的透鏡可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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

2、于電磁波波長(zhǎng)的局限，被稱(chēng)之為完美透鏡。Veselago的理論研究表明：理想的無(wú)損耗的且介電常數(shù)￡=-1，磁導(dǎo)率u=-1的左手材料薄板對(duì)傳播波(遠(yuǎn)場(chǎng))具有二次聚焦作用，而Pendry對(duì)此的進(jìn)一步研究表明，左手材料薄板對(duì)消逝波(近場(chǎng))也具有二次匯聚作用，因此，Pendry提出左手材料薄板可用來(lái)制作完美透鏡，它可實(shí)現(xiàn)對(duì)消逝波的成像。我的進(jìn)一步研究指出，左手材料薄板對(duì)消逝波的確具有放大作用，但對(duì)薄板的厚度具有一定的限制，而材料的吸收會(huì)嚴(yán)重?fù)p害其對(duì)消逝波的放大作用。左手材料薄板對(duì)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

3、l瓦作用。當(dāng)過(guò)渡層的厚度遠(yuǎn)小于真空中的波長(zhǎng)時(shí)，過(guò)渡層會(huì)在左手材料的頻率段產(chǎn)生一個(gè)表面模，該表面模對(duì)完美透鏡成像的最小橫向波長(zhǎng)施加了限制：表面模對(duì)傳播波的影響沒(méi)有對(duì)消逝波的影響那么明顯1．2二維近場(chǎng)透鏡完美透鏡對(duì)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(chǎng))到達(dá)成像點(diǎn)是個(gè)諧振過(guò)程。而且在近場(chǎng)條件下，電磁場(chǎng)可分解為靜電場(chǎng)和靜磁場(chǎng)，對(duì)于TE極化(Spolarization)的近場(chǎng)中，磁場(chǎng)居于支配地位；對(duì)于TM極化(Ppolarization)的近場(chǎng)中，電場(chǎng)處于支配地位。因此研究完美透鏡對(duì)近場(chǎng)的成像就可借用靜電(磁)場(chǎng)理

4、論中求電(磁)勢(shì)的方法，此時(shí)保角變換是研究完美透鏡近場(chǎng)成像的一種簡(jiǎn)便方法，但必須注意到完美透鏡近場(chǎng)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(gè)效應(yīng)可用于提高掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡的分辨率。1．3三維近場(chǎng)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

5、．1／r的右手材料。消逝波場(chǎng)在左手材料區(qū)域?qū)⒈环糯?。另一文獻(xiàn)研究了有損耗的不對(duì)稱(chēng)的完美透鏡，結(jié)果表明，此類(lèi)透鏡對(duì)消逝波也有放大作用，因此可作為完美透鏡，而且不對(duì)稱(chēng)的完美透鏡對(duì)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(duì)它的影響，計(jì)算表明：傳輸函數(shù)對(duì)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(duì)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

6、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)

7、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(bào)告，同時(shí)，S．Foteinopou1ou也發(fā)表了左手材料的理論模擬結(jié)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(shí)，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(shí)間后才出現(xiàn)折射波.可認(rèn)為，該延遲現(xiàn)象說(shuō)明電磁波波前的一端并不需要無(wú)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(huì)出現(xiàn)一些新的性質(zhì)。有關(guān)文獻(xiàn)在研究由左、右

8、手材料構(gòu)成的一維光子晶體時(shí)，發(fā)現(xiàn)了其特有的zero一萬(wàn)能帶，zero一萬(wàn)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(méi)有發(fā)生突變，而是存在一個(gè)過(guò)渡區(qū)域，在這個(gè)過(guò)渡區(qū)域內(nèi)折射率經(jīng)過(guò)從小于1到大于1的變化。這個(gè)過(guò)渡區(qū)域位于左、右手材料的分界面，在這個(gè)分界面附近的左、右手材料內(nèi)，其折射率與氣體