负折射率光子晶体1.ppt

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1、负折射率光子晶体组员：武楚晗2120140648贾耿磊2120140631负折射率材料负折射率材料的介电常数ε和磁导率μ都小于0。早在1968年前苏联科学家VeselagoVG就曾预言了反常折射现象的存在；1996年Pendry等发现合适半径的二维导电金属丝和中性等离子体出现介电常数为负(即ε<0)的性质；1999年Pendry等发现多个周期阵列并相互耦合的带缝隙的环形谐振器SRR在一定的频率范围内出现负磁导率(即μ<0)的现象；2000年美国加州大学(UCSD)SmithDR教授领导的研究组根据Pendry的研究，成功地合成了

2、这种负折射率材料(NIM)，因为该材料k、E、H符合左手螺旋规律，故又称其为左手材料(LHM)。负折射率材料2002年，从理论上，麻省理工学院J．A．Kong教授证明了左手材料存在的合理性，并不违背经典电磁理论；J．Pendry和D．r．Smith也从群速度的定义出发，理论上证明了群速是沿负方向折射；浙江大学电磁科学院研究小组和J．A．Kong等采用高斯波束倾斜入射到左手材料介质上产生波束位移的方法，用实验的方式也验证了负折射现象的存在；2003年，加拿大多伦多大学用电磁和电感阵列构造了左手材料，并做了一系列实验，观察到左手材料

3、的特有现象。求解Maxwell方程组当均匀平面波在各向同性均匀的介质中传播时，波矢量k，电场矢量E，磁场矢量H和能流方向S满足如下关系：在常规介质中，E,H,K满足右手螺旋关系，符合右手规则；而在负折射率材料中，ε和μ均为负，E,H,K满足左手螺旋关系，符合左手规则。负折射率材料又称左手材料。S,E,H三者始终符合右手规则。负折射介质折射率值当ε和μ同为负值，波矢量k与能量流方向相反，则k<0，即<0，n<0。经过上述验证波矢量k和折射率n取小于0的解和电磁理论并不是背道而驰，所以折射率n<0也是合理的。负折射率材料中折射率与磁

4、导率、介电常数关系的表达式为不同ε和μ下的材料。负折射率材料的分类1.Smith结构Smith等人将SRR(Split-RingResonator)结构和Rod结构相结合，构造出了一维负折射率材料。一维表示一个方向的电场和磁场相互作用，波矢就只能是朝一个方向。负折射率材料的分类2.对称环结构T．M．Gregorczyk等人在先人研究的基础上提出并构造了对称环结构左手材料。其结构单元是两个相同尺寸的开路环相称的放置在x，y，z，3个方向上的空间坐标轴上。周期单元都包含2个环结构和1个ROD结构，对称环左手材料在8．2GHz-8．7

5、GHz之间的频率段，折射率为负值，中心频点在8．5GHz左右。研究出的对称环结构比Smith结构左手材料更能克服金属开路环的不对称从而产生的效应。3.Ω结构Smith结构和对称环结构损耗很大，浙江大学专门研究左手材料的科研人员发现Q形状的金属细线能够同时产生小于零的磁导率和小于零的介电常数，并理论上构造出Q结构左手材料。4.S型材料陈红胜等人通过改变SRR结构的形状，发明了新的S型谐振结构，它的磁导率的小于0频段和等效介电常数的小于0频段能够相对宽松重叠，只利用S型谐振器就组成了负折射率材料。对于一个正常介质的平板，对光只起到发

6、散作用，如图1(a)；而对于负折射率介质平板，对光能起到会聚作用，如图1(b)。而且负折射率介质平板能放大消逝波，如果用负折射率介质平板作为成像透镜，就能解决传统成像系统中在物体精细结构变化小于波长时消逝波的衰减而丢失光信息的问题，所以通过选择适当的参数，负折射率介质平板可成为性能优越的成像透镜。光子晶体光子晶体实际上就是一种介质在另一种介质中周期排列组成的人造晶体，该排列周期为波长量级。光子晶体中介质折射率的周期变化对光子的影响与半导体材料中周期性势场对电子的影响相类似。光子晶体光纤1998年英国Bath大学的研究人员在Sci

7、ence上首次发表了采用光子晶体围绕空心结构的光子照体光纤，如图1所示。该光子晶体光纤的透射光的近场和远场都是六瓣结构图形。Bath大学的研究小组的另一个工作是将蜂窝结构中心的玻璃棒抽燃7根，形成图2所示的结构。由于它能将能量集中在空气纤芯中，因此具有像空的金属微波波导那样的优越性，即支持极高的功率密度而不至于崩溃。负折射率光子晶体光纤传统的光子晶体光纤是在纤芯引入低于包层材料的空气缺陷，因此光的导入完全借助于光子带隙(photonicbandgap，PBG)效应，其机理是利用包层中高度有序排列的空气孔形成PBG，纤芯是在光纤中

8、引入缺陷，使光波仅能以缺陷态在纤芯传播。由于光脉冲是在空气缺陷中传输，因此理论上讲这种空心光纤的结构克服了传统单模光纤的损耗和色散等缺点。图中横向截面为正折射率介质中含有负折射率介质柱(图中白色部分)的周期性排列，纤芯为负折射率介质。由于纤芯的折射率小于包层的等