左手材料簡介課件

一、左手材料概念1、左手材料概念的提出左手材料就是介電常數(shù)ε<0、磁導率μ<0的材料，是一種人工制備的亞觀材料，在自然界中不存在天然的這類材料.命名緣由：當平面電磁波在ε和μ同時為負值的材料中傳播時，電磁波的電場矢量E、磁場矢量H和波矢量k之間服從左手螺旋定則，因此將這類材料命名為左手材料（LHMs），相應把遵循右手螺旋定則的材料命名為右手材料（right-handedmaterials，RHMs）。如果媒質的介電常數(shù)和磁導率均為負數(shù)的話(左手材料),媒質因具有負折射率而會表現(xiàn)出很多奇特的性質,如反多普勒效應、反Snell定律、反切倫柯夫輻射。1996年，Pendry等首次制備出這個亞觀的左手材料。宏觀理解左、右手材料處于第四象限中的材料,其ε>0,μ<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ε<0,μ<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完全不同.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ε<0,μ<0,MAXWELL方程仍然允許電磁波在材料中傳播,但此時材料的折射率n卻必須取負值?？傊?電磁波只能在折射率為實數(shù)的材料中傳播.若ε和μ中只有一個為負值，則折射率為虛數(shù),電磁波在材料中將由于只存在消逝波解而不能傳播.若材料的ε和μ均小于零時,電磁波在材料中是可以傳播的,但材料的折射率必須取負值,且電磁波的群速和相速反平行.

電磁波在(a)右手材料(b)左手材料中之電場、磁場、波向量與能量流密度方向之間的向量關系

左手材料結構單元一維左手材料和二維左手材料2.2紅外、可見光波段左手材料采用微結構單元替代磁性材料中的原子和分子可實現(xiàn)高頻磁響應。Yen等采用光刻蝕技術（photoproliferatedprocess）加工制備了結構單元為30μm左右的銅SRRs陣列，制備的不同系列的SRRs樣品的幾何參數(shù)為：線寬4μm或6μm，內外環(huán)間距2μm或3μm，外環(huán)邊長分別為26μm，32μm，36μm，晶格常數(shù)分別為36μm，44μm，50μm。SRRs的材質為銅，厚度為3μm，其基板為400μm微米厚的石英。100THz單諧振環(huán)磁響應樣品2.3光子晶體實現(xiàn)左手材料理論研究表明銀納米線光子晶體可實現(xiàn)近紅外波段的負折射效應，Berrier利用化學輔助離子束刻蝕技術在低折射率的InP基底中打出了半徑125nm，晶格常數(shù)為480nm的空氣柱光子晶體，首次實現(xiàn)了光子晶體紅外波段（1480nm）的負折射平板聚焦。ShuangZhang等人還在玻璃基板的兩面60nm厚的AL2O3的電解質層上沉積30nm厚的Au，然后在上面打直徑為360nm，周期為838nm的洞，在2μm實現(xiàn)了負折射率。Berrier實驗中的光子晶體成像三、左手材料的性質Veselago的理論研究表明，左手材料具有如下奇特性質。3.1負折射率效應

由n1sinθ1=n2sinθ2可知：（a）n1>0,n2>0時，θ2>0，即入射光線位于介面法線的兩側；（b）

n1>0,n2<0時，θ2<0，那么入射光線與折射光線位于介面法線的同側。2、反多普勒效應若光源發(fā)出頻率ω0

的光,而偵測器以速度v接近光源時,在一般介質之中偵測器所接收到的電磁波頻率將比ω0

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ω0低的頻率,反之則會升高,從而出現(xiàn)反多普勒效應。3、左手材料的二次匯聚作用一個點光源,若放置在左手材料薄板前,該點光源在左手材料內會匯聚成像一次;并且在左手材料薄板的另一側,該點光源也會匯聚成像一次.下面圖示是就傳播波(propagatingwaves),即遠場(thefarfield)而言的。完美透鏡對近場的匯聚作用從圖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(perfectlens).4、完美透鏡效應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λ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ε和μ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)樵鰪妶觯Ｒ?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。“放大過”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。完美透鏡5、反常Goos-H?nchen位移

所謂的Goos-H?nchen位移是指當光波在兩種介質的分界面處發(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-H?nchen位移大小為四、左手材料的應用1、微波段左手材料在無線通訊領域將有很大的應用前景?？捎米餮舆t線、耦合器、天線收發(fā)轉換開關、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，已經(jīng)可以通過人造結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，使得從正面接收不到反射的光線或微波，從而實現(xiàn)隱身。2、可見光波段左手材料的實現(xiàn)將有革命性的前景。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)。3、左手材料納米天線納米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、可調透鏡、隔離器等。五、左手材料的實驗5.1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(2Dscatteringchamber)中進行.該散射室上、下蓋板是兩塊平行的金屬鋁板,間距為0.4inches.因為頻率f<15GHz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.左手材料光學實驗裝置5.2透射實驗5.2.1透射實驗所用材料透射實驗所用的左手材料為15cm2(30×30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0.03mm。圖一LHM和SRRs的數(shù)值計算結果圖二LHM透射功率的實驗結果圖三LHM和SRRs透射功率的實驗結果

圖四轉移矩陣法得到的LHM和SRRs透射功率5.2.2透射實驗結果分析從圖一可以看到: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μeff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vg<0,因為vg=dω/dk<0.從圖二可以看到:左手材料的透射功率沿[10],[11],[01]三個方向并不完全重合,這意味著上述LHM并不是各向同性的(isotropic)。原因在于上述左手材料在組裝時存在一些誤差,而SRR的共振頻率對材料參數(shù)的微小變化極端敏感。

比較圖一和圖二,可以發(fā)現(xiàn)在頻率10.3-11.1GHz之間出現(xiàn)了透射功率,且數(shù)值仿真結果和透射實驗數(shù)據(jù)吻合較好。用轉移矩陣法計算得到的LHM和SRRs透射功率如圖四所示.

比較圖三和圖四,可以看到:理論計算結果與實驗數(shù)據(jù)吻合較好.這4個圖說明在頻率10.3-11.1GHz之間,按上述方法所制備的材料的確為左手材料(LHM).5.3折射實驗左手材料與透射實驗所用的左手材料相同,只是在組裝方面有些折射實驗所用的不同,如圖1所示.實驗裝置在透射實驗基礎上作了些改動,如圖2所示.圖中的黑色箭頭代表微波束;樣品和微波吸收材料置于上、下兩塊平行的圓形金屬鋁板之間,間距為1.2cm,圓形金屬鋁板的半徑為18cm.探測器可以沿著圓弧移動,以測量沿不同方向的透射功率.結果實驗如下圖3所示.圖3的實驗所使用的微波頻率為10.5GHz.因為Telfon的折射率nTelfon=1.4±0.1,因此可以預計在θ=27o應該出現(xiàn)透射峰,實驗數(shù)據(jù)與理論計算值相符.而左手材料在,這意味著左手材料的折射率nTelfon=-2.7±0.1。圖1折射實驗所用的楔型材料圖2折射實驗裝置圖3左手材料折射實驗結果5.4表面等離子極化波實驗表面等離子極化波實驗裝置如圖1所示。在圖1中,如果沒有左手材料樣品(sample),那么當入射角Θ>Θcritical時,光束將全部被反射(totalinternalreflection,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Θ>Θcritical時，入射光束將激發(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Θ>Θcritical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,evanescentwaves).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.圖1表面等離子極化波的實驗裝置表面等離子極化波的實驗數(shù)據(jù)和理論計算結果見如圖2和圖3,圖中的數(shù)據(jù)只選取θ=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