左手材料簡介幻燈片

1、1北京賽德創(chuàng)生物技術有限公司21 1、左手材料概念的提出、左手材料概念的提出左手材料就是介電常數(shù)0、磁導率0,0,自然界中的絕大部分材料均處于這一象限.有少部分材料在某些狀態(tài)下會處于第二象限(0),如等離子體及位于特定頻段的部分金屬.當0時,折射率n= 為虛數(shù).這意味著在這種材料中電磁波只能是消逝波(evanescent waves),因電磁波只能在折射率為實數(shù)的材料中傳播.5處于第四象限中的材料,其0,0,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0,0,因而折射率n也為實數(shù). 但與第一象限中材料的電磁波傳播性質(zhì)完全不同

2、.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0,0, n20時，20，即入射光線位于介面法線的兩側(cè)；（b） n10, n20時， 20，那么入射光線與折射光線位于介面法線的同側(cè)。182 2、反多普勒效應反多普勒效應若光源發(fā)出頻率0 的光,而偵測器以速度v 接近光源時,在一般介質(zhì)之中偵測器所接收到的電磁波頻率將比0 高,而在左手材料中, 因為能量傳播的方向和相位傳播的方向正好相反, 所以如果二者相向而行,觀察者接收到的頻率會降低,則會收到比0低的頻率,反之則會升高,從而出現(xiàn)反多普勒效應。193、左手材料的二次匯聚作用左手材料的二次匯聚作用一個點

3、光源,若放置在左手材料薄板前,該點光源在左手材料內(nèi)會匯聚成像一次;并且在左手材料薄板的另一側(cè),該點光源也會匯聚成像一次.下面圖示是就傳播波(propagating waves),即遠場(the far field)而言的。20pendry對左手材料的二次匯聚現(xiàn)象作了進一步的研究,發(fā)現(xiàn)左手材料薄板對消逝波,即近場,也有匯聚作用。這是一個驚人的理論成果.因為:傳統(tǒng)的用右手材料制成的透鏡只能匯聚遠場的電磁波分量(即傳播波),而近場的電磁波分量(即消逝波)因按指數(shù)規(guī)律衰減而不能參與成像。故傳統(tǒng)透鏡的分辨率受制于電磁波波長,即最大分辨率。2122從圖1.5中可以看到:(a)近場在光源至左手材料薄板的一側(cè)

4、這段路程是按指數(shù)規(guī)律衰減的;(b)近場在左手材料薄板中被放大;(c)在左手材料薄板的另一側(cè)至成像點這段路程,近場又是按指數(shù)規(guī)律衰減的.左手材料對近場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,pendry稱其為完美透鏡(perfect lens).23對于普通的光學透鏡來說，由于倏逝波成分所攜帶的物體信息被丟掉了，所以普通的光學透鏡的分辨率總有一個可以和波長相比擬的極限。而左手材料透鏡將不會丟失這些信息。左手材料透鏡可以將所有能量，完全復制到像點。因為在和全為負值的時候，能流的方向和波矢方向總是相反的，因此常規(guī)材料中的衰減場進入左手材料后會變?yōu)樵鰪妶?/p>

5、，常規(guī)材料中的增強場進入左手材料后會變?yōu)樗p場。指數(shù)衰減的倏逝場進入透鏡左端面后將變?yōu)橹笖?shù)增強場，左手材料平板可對常規(guī)材料中的倏逝場進行放大。從而使攜帶物體更微觀細節(jié)信息的倏逝場參與了成像?！胺糯筮^”的倏逝場經(jīng)過透鏡右端面后重新變?yōu)樗p場，最后在像平面上恢復到原來的光場值。 24相對于普通透鏡，左手材料平板透鏡沒有固定光軸，不受傍軸條件限制，且成正立、等大實像，最重要的是不僅能夠捕獲光場的傳播波成分，而且能夠捕獲倏逝波成分，光場的所有成分都無損失地參與了成像，突破了衍射極限。因而左手材料平板透鏡被稱為“完美透鏡（perfect lens）”25265、反常goos-hnchengoos-hnc

6、hen位移位移所謂的goos-hnchen位移是指當光波在兩種介質(zhì)的分界面處發(fā)生全反射時，反射光束在界面上相對于幾何光學預言的位置有一個很小的側(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-hnchen位移大小為 2728因而，goos-hnchen位移大小僅與兩種介質(zhì)的相對折射率n21及入射光波方向1有關。引起goos-hnchen位移的原因是電磁波并非由界面直接反射，而是在深入介質(zhì)2的同時逐漸被反射，其平均反射面位于穿透深度處。若介質(zhì)2為左手材料，則該位移沿光波傳播反方向，稱為反常goos-hnchen位移291、微波段左手材料在無線通訊領域?qū)⒂泻艽蟮膽们熬拔⒉ǘ巫笫?/p>

7、材料在無線通訊領域?qū)⒂泻艽蟮膽们熬??？捎米餮舆t線、耦合器、天線收發(fā)轉(zhuǎn)換開關、固態(tài)天線、濾波器、光導航、微波聚焦器等。微波左手材料還可廣泛應用于微波器件。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輻射效應可用于探測高能帶電粒子。左手材料還可以制作便宜而性能好的磁共振成像設備。手機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，并通過相關技術阻止信號向人腦方向的傳播。 隱身材料的實現(xiàn) 左手材料制造的兵器可能將光線或雷達波反向散射出去

8、，使得從正面接收不到反射的光線或微波，從而實現(xiàn)隱身。302、可見光波段左手材料的實現(xiàn)將有革命性可見光波段左手材料的實現(xiàn)將有革命性的前景的前景。左手材料能夠突破該衍射極限，可應用于超靈敏單分子探測器，用于探測微量污染、極微量具有危險性的生物化學藥劑、以及血液中標癥早期疾病的蛋白質(zhì)分子和醫(yī)學領域診斷成像等。 利用其負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元件，有望制作出分辨率比常規(guī)光學透鏡高幾百倍的扁平光學透鏡。 左手材料也有望解決高密度近場光存儲遇到的光學分辨率極限問題，可能制作出存儲能量比現(xiàn)有dvd高幾個數(shù)量級的新型光學存儲系統(tǒng)。 313 3、左手材料納米天線左手材料納米天線納米

9、天線是由納米金屬線和圓環(huán)組成，具有等離子體效應，能對光子進行直接操縱，引導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。因為納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算機。紅外波段磁響應的實現(xiàn)可應用于生物安全成像、生物分子指紋識別、遙感、可視度極底的天氣下的導航、微型諧振腔、可調(diào)透鏡、隔離器等。 325.15.1實驗裝置實驗裝置左手材料的透射實驗、折射實驗、和表面等離子極化波實驗都是在二維散射室(2d scattering chamber)中進行.該散射室上、下蓋板是兩塊平行的金屬鋁板,間距為0.4 inches.因為頻率f15g

10、hz的微波的半波長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e平行于銅導線.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分析裝置.33345.2.1透射實驗所用材料透射實驗所用的左手材料為15 cm 2(3030個單胞,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中的銅導線長度為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0.03m

11、m。353637383940從圖一可以看到:就srr的色散關系而言,在頻率10.3-11.1ghz之間存在一個禁帶(位于圖中兩條虛線之間),這意味著在這個頻率段eff為負數(shù).而左手材料(lhm)的色散關系表明:在頻率10.3-11.1ghz之間出現(xiàn)了一個導帶,如圖中的實線所示.從該實線可以推導出電磁波的群速度v g0,因為v g=d/dkcritical時, 光束將全部被反射(total internal reflection,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。那么當入射角critical時，入射光束將激

12、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吸收入射光束一定頻率段的一些能量.因為:在critical時，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值(這對應于消逝波,evanescent waves).這個消逝波會激發(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消耗在激發(fā)過程中,反射功率譜將會在一定頻率段出現(xiàn)一些局部的極小值.4748表面等離子極化波的實驗數(shù)據(jù)和理論計算結(jié)果見如圖2和圖3,圖中的數(shù)據(jù)只選取=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驗數(shù)據(jù)和理論計算結(jié)果并不一致.這是因為:如前所述,所制備的材料僅在頻率10.1-11ghz之間才是左手材料,因此shelby將微波頻率鎖定在10.1-11ghz之間,并改變的大小,重新做了一系列實驗.=38o ,40o,42o,45o,50o,550的實驗數(shù)據(jù)如下圖4(a)所示。圖4(a)中的小圖中的黑點對應著不同入射角、不同頻率條件下,反射功率譜中出現(xiàn)局部極小值的位置.將這個小圖中的入射角()-頻率()關系換算成橫向波矢(k)-頻率()關系,即可得到圖4(b).圖4(b)中的實線為