左手材料及其光学特性

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1、左手材料及其光学特性作者：郭嘉琛论文摘要：左手材料是一种人工制备的具有亚观结构的材料，因为其独特的电磁学特性，在很多方面都具有潜在的应用价值。本文简要介绍了左手材料在完美透镜、一维光子晶体、薄板波导等方面的研究进展，对其理论研究和实验结果进行了评述，并探讨了其发展前景。关键词：左手材料光子晶体薄板波导1.概论1.1一左手材料的完美透镜作用：右手材料制成的光学透镜具有一些局限性，如其最大分辨率受制于电磁波的波长，而左手材料制成的透镜可以实现对消逝波(evanescentwaves)的成像，因此它突破了传统透镜的最大分辨率受制于电磁波波

2、长的局限，被称之为完美透镜。Veselago的理论研究表明：理想的无损耗的且介电常数￡=-1，磁导率u=-1的左手材料薄板对传播波(远场)具有二次聚焦作用，而Pendry对此的进一步研究表明，左手材料薄板对消逝波(近场)也具有二次汇聚作用，因此，Pendry提出左手材料薄板可用来制作完美透镜，它可实现对消逝波的成像。我的进一步研究指出，左手材料薄板对消逝波的确具有放大作用，但对薄板的厚度具有一定的限制，而材料的吸收会严重损害其对消逝波的放大作用。左手材料薄板对消逝波具有放大作用，是因为消逝波与表面等离子极化波的相l瓦作用。当过渡层的

3、厚度远小于真空中的波长时，过渡层会在左手材料的频率段产生一个表面模，该表面模对完美透镜成像的最小横向波长施加了限制：表面模对传播波的影响没有对消逝波的影响那么明显1．2二维近场透镜完美透镜对消逝波的成像不能采用传统的光线图描述，因为消逝波(近场)到达成像点是个谐振过程。而且在近场条件下，电磁场可分解为静电场和静磁场，对于TE极化(Spolarization)的近场中，磁场居于支配地位；对于TM极化(Ppolarization)的近场中，电场处于支配地位。因此研究完美透镜对近场的成像就可借用静电(磁)场理论中求电(磁)势的方法，此时保

4、角变换是研究完美透镜近场成像的一种简便方法，但必须注意到完美透镜近场成像的核心是表面等离子极化波。在此基础上提出了几种具有放大或缩小的二维完美透镜，如圆柱环完美透镜，它可将圆柱环外面的物体成像于圆柱环内部，这是缩小像；也可将圆柱环内部的物体成像在外面，这是放大像。这个效应可用于提高扫描近场光学显微镜的分辨率。1．3三维近场透镜文献提出了一种球形完美透镜，其球壳是介电常数为e．(r)一I／而磁导率为H一(，)。c—l／r的左手材料，其他区域是介电常数为s+(，)。c1／r，磁导率为p+(，)OF．1／r的右手材料。消逝波场在左手材料区

5、域将被放大。另一文献研究了有损耗的不对称的完美透镜，结果表明，此类透镜对消逝波也有放大作用，因此可作为完美透镜，而且不对称的完美透镜对材料的损耗效应不显著，更具有稳定性。有人利用传输函数研究左手材料参数偏移对它的影响，计算表明：传输函数对介电常数和磁导率的偏移非常敏感，完美的左手材料透镜对偏移量的要求十分苛刻，因此人们得出结论：要得到工程意义上的完美左手材料透镜是相当困难的。1．4各向异性左手材料制作的完美透镜.人工制各的左手材料实际上是二维的，是各向异性或单轴各向异性的，因此描述其介电常数须用张量形式。有关文献研究了电磁波在各向异

6、性左手材料中的传播及在其界面上的反射和折射，得到了出现反常的反射和折射(不符合Snell定律)的条件，以及出现反常的透射(即消逝波在其中得到放大)的条件。还有文献提出了如何利用各向异性左手材料制作完美透镜的方法，在结构的不同部位采用不同的左手材料，使得一部分子结构实现负折射，另一部分子结构实现正折射.2．1左手材料与右手材料的界面有人曾经质疑左手材料不可能存在，因为他们认为左手材料违背光速上限和因果律。2003年初C．Parazzoli与G．Eleft—heriades所领导的两组研究人员分别发表了微波波段负折射物质的实验报告，同时

7、，S．Foteinopou1ou也发表了左手材料的理论模拟结果。利用光子晶体作为介质，计算中发现电磁波的波前遇到左手材料时，折射并不是立即发生，而是在界面捕捉入射波波前一段时间后才出现折射波.可认为，该延迟现象说明电磁波波前的一端并不需要无限大的光速传递才能从右手材料进入左手材料，也不违反因果律。左手材料的主要性质一一负折射是发生在左手材料与右手材料的界面上的-，所以，如果在一维光子晶体中交替地引入右手材料与左手材料层，将会出现一些新的性质。有关文献在研究由左、右手材料构成的一维光子晶体时，发现了其特有的zero一万能带，zero一

8、万能带是平均折射率为0的能带，这表明，折射率从小于1到大于1并没有发生突变，而是存在一个过渡区域，在这个过渡区域内折射率经过从小于1到大于1的变化。这个过渡区域位于左、右手材料的分界面，在这个分界面附近的左、右手材料内，其折射率与气体