（材料物理与化学专业论文）左手材料光学性能研究.pdf

博士学位论文 摘要 左手材辩对辩磷人虽，无论楚理论砑究遥是实验磺究，都提出了一系列新的 课题对左手材料性能的真正理解需要重新评价电磁理论的一些熟知的事实在 嚣前戆有关电磁溪论静教辩书中，没有这方瑟魏成豹公式，籍瑷有豹恕磁瑾论方 面的公式应用到嶷手材料的性能研究时，有时会得到一热陌生的结果对现有的 电磁蘧谂，震要在毁设 0 ，自然界中的绝大部分材料均处于这一象限有少部分 材料在某些状态下会处于第二象限( 占 0 ) ，如等离子体及位于特定频段的部分 金属当s 0 时，折射率”= s 为虚数这意味着在这种材料中电磁波只能是 消逝波( e v a n e s c e n tw a v e s ) ，因电磁波只能在折射率为实数的材料中传播如果一个电磁 波入射到位于第二象限中的材料上，由于这种材料中电磁波是消逝波( e v a n e s c e n t w a v e s ) ，电磁波将会全部被反射；如果这种材料足够厚，就不会有透射波处于第四象限 中的材料，其e 0 ，p 0 ，因而折射率h 也为虚数电磁波入射到处于第四象限中的材 料的行为与入射到第二象限中的材料的行为相似 第三象限中的材料，其s o ， 0 ，因而折射率h 也为实数虽然第一、第三象限中 材料的折射率均为实数，但第三象限中材料的电磁波传播性质却很奇特，与第一象限 中材料的电磁波传播性质完全不同在第三象限的材料中，电磁波的波矢和能流方向 是反平行的，也就是说电磁波的群速和相速是反平行的在s 0 时，0 2 0 ，即入射光线与 折射光线位于介面法线的两侧；( b ) m 0 ，h ： 0 时，岛 0 ，那么入射光线与折射光线位 博士学证论文 于介面法线鹣间侧 1 1 2 2 艇够普勒效应 如图1 _ 3 【1 1 ( b ) 所示，假设一辐射源在左手材料中发出频率为c o 。且相位固定的电磁 波，并且其裁辩运动方淘朝羞接牧器嚣行，刘接收器掰接牧到豹辐射频率将会，l 、予， 而并菲如一般右手材料中所接收到的频率会增大( 嬲豳1 3 f 1 】( a ) ) 如果使用手性描述符 号p ，可将多凿勒公式改写为： 国= c o o ( i p 二) ( 1 1 ) “ 我处簿号尹袭示手毪，对袁手毒孝黼嚣言，p = 1 ；对发手豺瓣嚣畜，p = 一l ；“总是歪鼗，代 表能量流速魔；当接收器麓羲辎射源运动瞻，v 取受穰；否翅，v 取正僮 奏垂l 糖 蕞燕。连擎蓁蕞燕_ 喜 ( a ) 右手材料中的多普勒效应；( b ) 左手材料中的多普勒效应 嘲1 3 左、右手材料中的多蕾勒效应【1 】 3 左手材料光学性能研究 1 1 2 3 左手材料的二次汇聚作用 左手材料对光源具有二次汇聚作用，如图1 4 【1 1 所示 誓舟黛就簪舟黛右簪舟碰 i ， s 滤磐。n 。 成撵 气 、 、8 _ - 一畦 p 。_ _ - 一l 图1 4 左手材料对传播波( 远场) 的二次汇聚作用【1 一个点光源，若放置在左手材料薄板前，该点光源在左手材料内会汇聚成像一次： 并且在左手材料薄板的另一侧，该点光源也会汇聚成像一次图1 4 是就传播波 ( p r o p a g a t i n gw a v e s ) ，即远场( t h ef a rf i e l d ) 而言的 p e n d r y 4 1 对左手材料的二次汇聚现象作了进一步的研究，发现图1 4 所示的左手 材料薄板对消逝波( e v a n e s c e n tw a v e s ) ，即近场( t h en e a rf i e l d ) ，也有汇聚作用这是一 个惊人的理论成果因为：传统的用右手材料制成的透镜只能汇聚远场的电磁波分量 ( 即传播波，p r o p a g a t i n g w a v c s ) ，而近场的电磁波分量( 即消逝波，e v a n e s c e n t w a v e s ) 因 按指数规律衰减而不能参与成像故传统透镜的分辨率受制于电磁波波长，即最大分 辨率a 。2 n - ：堡：z 左手材料之所以对近场也有汇聚作用，是因为按指数规律衰减的 k m a x 珊 近场能够被左手材料放大，如图1 5 【5 。7 】所示从图中可以看到：( a ) 近场在光源至左手材 料薄板的一侧这段路程是按指数规律衰减的；( b ) 近场在左手材料薄板中被放大；( c ) 在 左手材料薄板的另一侧至成像点这段路程，近场又是按指数规律衰减的左手材料对 近场的放大作用是靠其表面等离子极化波( s u r f a c ep l a s m o nw a v e s ，见第2 章的分析) 因此，用左手材料制成的透镜其分辨率不受制于电磁波波长，p e n d r y 4 】称其为完美透 镜( p e r f e c tl e n s ) 对完美透镜的详尽分析见第2 章 1 2 左手材料的制备和实验验证 1 2 1 左手材料的制备 褥士学位论文 1 i _ l l , i i i i i , i j , & i 懋皇曼曼曼曼曼曼曼鼍_ 嘲皇_ - _ _ _ _ _ 燃舞笪 如前所述，左手材料就怒介电常数疗0 、且同时其磁导率 0 的材料但迄今为 蹙，入爨著没鸯钛垂然器中发骥逮建类奉孝瓣，邋魏，蔻芬袋疆擎家v e s e l a g o 在1 9 6 8 零繇 提出的上述理论成果没有引起多大的反响近来，科研人员已成功制备出左手材料，这 引起了全世界科学技术人员的极大兴趣事实上，左乎材料是人工制备的亚观材料 ( m e t a m a t e r i a l s ) 驻鼹材料静一个特点是其瞧能虿霹予荚组成成分戆搜裁，要翻冬左手 材料，就是要使蕻介电常数8 0 ，且同时篡磁导率 。时，龛属光子晶体的有效费奄常数 k 时，s r r 的有效磁爵率，锄 0 p e n d r y 5 ，弼熬上述理论磷巍藏栗激发了s m i 氇秘s h e l b y 凌手割蘩左手楗赣瓣嚣一巍 左手材料光学性能研究 图1 6 二维金属光子晶体( m p o ) “图1 7 单个金属开口谐振环( s 隙) ” 决心，s m i t h 2 ，刀制备出了第一个左手材料，该左手材料是一维的；s h e l b y 【印制备出了二维 左手材料，并进行了折射实验【9 】、透射实验【i o 】、和表面等离子极化波实验【8 】 左手材料的制备通常按如下步骤进行【8 1 第一步：利用计算机软件进行数值仿真，找寻到合适的材料结构和参数 s h e l b y 所使用的数值仿真计算机软件是g d f i d l ! 1 1 】，该软件是有限差分电磁模式求 解软件( af i n i t ed i f f e r e n c ee l e c t r o m a g n e t i cm o d es o l v i n gp r o g r a m ) 由于g d f i d l 使用正方 形网格来进行差分，因此用来数值仿真正方形s r r 的结果比较精确，故s h e l b y 使用正 方形s r r ，如图1 1 1 【8 ，1 0 1 ( a ) 所示 第二步：利用集成电路技术制各出左手材料 在印刷电路版材料( f r 4f i b e r g l a s s ，0 2 5 m mt h i c k ) 上，使用集成电路工艺制造出如 图1 8 8 】所示的左手材料条带条带上的铜层厚度为0 0 3 m m ，条带上的铜导线和s r r 粘 附在印刷电路版材料的不同面上，并且在条带上开出小槽将这些左手材料条带沿小 槽组装起来，即可得到如图1 9 【8 ，9 】所示的左手材料从图1 9 很容易看出：左手材料是二 维的实验测试时，电磁波的电场置平行于铜导线，磁场豆平行于s r r 的轴线，即垂直 于铜导线 图1 8 左手材料条带 博士学位论文 图1 9 = t l i ! 手材料样品照片” 第三步：实验测试 1 2 2 左手材料的实验 1 2 2 1 实验装置 左手材料的透射实验【l o l 、折射实验f 9 1 、和表面等离子极化波实验嗍都是在图1 1 0 e 8 1 所示的二维散射室( 2 ds c a t t e r i n gc h 距慨r ) 中进行该散射室上、下盖板是两块平行的 金属铝板，间距为0 4i n c h e s 因为频率， 1 5 g h z 的微波的半波长要大于两块平行的 金属铝板的间距，因此金属边界条件迫使微波的电场豆平行于铜导线微波吸收材料 置于散射室的四周，它一方面能确保样品区的微波可以用平面波展开，另一方面能尽 量减少来自散射室边缘的反射波馓射室的两端连接着微波发生器和接收器及相关分 析装置 图1 1 0 测试左手材料的= 维散射室 左手材料光学性能研冤 1 2 2 2 透射实验 透射实验所用的左手材料为1 5c i i l2 ( 3 0 3 0 个单胞，晶格常数= 5 m m ) ，见图 1 1 1 ”图1 1 l ( a ) 中的c = 0 2 5 n u n ，d = 0 3 0 m m ，g = 0 4 6 m m ，w = 2 6 2 m m 图1 1 l ( b ) 中的铜导线长度为1 0 r a m ，宽度为o 2 5 r a m ，印刷电路版材料厚度为0 2 5 m m ，印刷电路 版材料上的铜层厚度为o 0 3 m m 使用计算机软件g d f i d l 对透射实验所用的上述左手材料和s r r 的数值仿真结果 见图1 1 2 1 0 l ，从图l1 2 可以看到：就s r r 的色散关系而言。在频率1 0 3 1 1 _ 1 g h z 之间 存在一个禁带( 位于图中两条虚线之间) ，这意味着在这个频率段以，为负数而左手 材料( l h m ) 的色散关系表明：在频率1 03 1 1 1 g i - i z 之间出现了一个导带，如图中的实 线所示从该实线可以推导出电磁波的群速度v 。 氏。时，入射光束将激发左手材料样品的表面等离子极化波，因此左 手材料样品会吸收入射光束一定频率段的一些能量因为：在占 粤。时，垂直于三棱 镜和样品介面的波矢是虚值，而平行于该介谣的波矢是实值( 这对应于消逝 波，e v a n e s c e n tw a v e s ) 这个消逝波会激发左手材料样品的表面等离子极化波因此，入 射光束的一部分能量会消耗在激发过程中，反射功率谱将会在一定频率段出现一些局 部的极小值 图1 1 6 折射实验所用的楔型左手材料“ m i 口晦撕q 删 图1 1 7 折射实验的实验装置“ 圈1 1 8 左手材料折射实验结果。1 1 0 薅士学蕴论文 i i l1 1 9 表霹簿离芋投l i ：波的嶷验装置瑚 豳l 。2 0 滚面等离子极他波的实验结果豳1 2 1 簸筒等离子掇化谶驹理论计算缱粜嘲 表鞭餐离子极诧波懿实簸数矮释爨谂诗算缭祭整熬瑟1 2 秽帮爨1 2 1 8 1 ，隧孛鳇 数据哭逡取0 = 4 0 。，4 5 。，5 0 “ 蘸鬻1 2 0 t s 帮霭1 2 l 粼搿疆惹妥：程频率8 1 2 g h z 之蠲，表蠢簿壤予稷弦波鹣实 验数据和想论计算结果并不一致这是因为：如前所述所制铸的材料仅在频率 l o 1 一l i g h z 之闷才是意筝材料，匿她s h e l b y 将德波频率镁定在l o 一1 i g l t z 之麟，并 馥变疗黪大小，重裁骰了一系剜实验。疗= 3 8 。，4 0 。，4 2 。, 4 5 。, 5 0 。, 5 5 。瓣寨骏数囊翔下篷 1 2 2 t s ( a ) 所豕图1 2 2 ( a ) 中的小图中的黑点对碰糟不同入射角、不间频率条件下，反射 功率谱巾出现局部极小馕嬲撼霆将这个小圈中的入射角( 鳓一频率( 掰) 荧系换算成横 囱波矢( 蒹) 颓率( 甜) 关系，帮掰褥捌蓬1 2 2 1 8 ( b ) 辫l ，2 2 鼢中靛实线为璎论计算维栗， 左手耱耱光掌往裁硪究 圆点为实验测量数据，水平虚线为磁导率( 掰) 0 时的频率，斜向虚线代表光线从图 1 2 2 ( b ) 可以看到：除了0 = 3 8 。这个点，实验数据与计算结果吻合的很好0 = 3 8 。这个点 与诗黪缝莱不密台，主要鬣纛在于：毋= 3 8 。嚣，光寒入麓受一蓬。“ n 此时须考虑微波材料的吸收因此，实验所测摄到的在0 = 3 8 。 时的魇射功率与计算结果不吻合，也就是情理之中的事情了 憨之，左手材料的透射实验【、折射实验1 9 1 、和表面等离子极化波实验哪与假设 霹+ 砖 ( i 1 谚 1 9 左手材料光学性能研戴 笪皇曼曼曼曼! 曼寰蔓螂s ! 曼曼曼曼詈詈曹鼎, ,i麓i篁鼍鼍量 由式( 1 1 0 ) 可知：传统的右手材料透镜的最大分辨攀为 a 。兰：堡。咒( 1 1 1 ) 茸m 蹦 1 3 3 2p e n d r y 的完美透镜理论 弼第l 节掰述，v e s e l a g o t l l 的理论磷究表明：理想的、无损耗豹、且奔电常数嚣= - 1 、 磁导率“一一1 的左手材料薄板对传播波( 远场) 具柯二次汇聚作用，如图1 3 0 5 7 】所示 蠢p e n 岫c 4 1 对左手孝喜料薄板的二次汇聚现象的遴一步磅究表明：友手材料薄援瓣游逝 波( 近场) 识具有二次汇聚作用，如图l 。3 l 【5 弼所示潮此，p e n d r y l 4 罐出左手材料薄板可 用来制作究美透镜 图1 3 0 完羹透镜对远场的：次汇聚作用8 1 溺i 3 1 完美遴镜对近甥的：次汇聚作用” 1 3 3 3g a t e i a 对完美透镜理论的质疑 文献【4 5 4 7 】对p e n d r y 嗍的上述完美透镜理论提出了质疑g a r c i a l 4 5 1 的主要观点是： ( 1 ) 左手材料薄板对消逝波的确具有放大作用，但这是有条件的，即左手材料薄板的厚 度是有一定限制的；( 2 ) 左手材料的吸收会严重损害其对消逝波的放大作用下面介绍 g a r c i a 4 5 】的第一个观点 假设入射波的电场为 豆( 。1 0 o ) = ( 4 ( “，0 ，o ) e x p ( i f c 芦) ( 1 1 2 ) 其中，石= ( o ，q ，) ，呓= f k ，k = 够一碍， 岛= m c = 2 z ：2 ( 1 1 3 ) 则反射波和透射波的电场分别为： 重( 7 乜g o ) = ( 4 ( ，0 ，0 ) e x p ( i 云芦) ， 屋“0 0 ) = ( 一“，o ，o ) e x p ( i f c - 尹) ( 1 1 4 ) 其中，云7 = ( o ，髟，彰) ，旁= ( 0 ，竹髟，竹磋) ，= f k ，k = 够一碍， ( 1 1 5 ) = k ，k = 够一瑶 ( 1 1 6 ) 边界条件要求：髟= 竹砖，( ，l = 一1 ) ( 1 1 7 ) 式( 1 1 7 ) 表征负折射 至于硭，的符号是取+ 还是一，有以下三种可能性 ( 1 ) 入射波的电场置m 随z 寸o 。而按指数衰减，透射波的电场豆m 随z 而按指 数衰减如果反射波豆( 也随z 斗一时而按指数衰减，那么我们必须选 择：= 一心，= 一f 峰，和磋= 一f k 这样才能保证豆”，豆”，和云。在空间是平方可积 的 ( 2 ) 入射波的电