左手系中的光学现象--负折射及其应用ppt课件

1、Diffractive Optics & Computing Physics LabUniversity of Science & Technology of China左手系中的光学景象左手系中的光学景象负折射及其运用负折射及其运用报告人：李永平 2021.11.17Diffractive Optics & Computing Physics LabUniversity of Science & Technology of China内容提纲内容提纲 负折射率的预言负折射率的预言 负折射率资料的实现负折射率资料的实现 负折射率资料的特性负折射率资料的特性 反常反常Cherenkov辐射、反常

2、辐射、反常Doppler效应、效应、反反Goos-Hanchen位移、负光压、超级透镜位移、负光压、超级透镜 负折射率资料的运用负折射率资料的运用 光子晶体中的负折射提及光子晶体中的负折射提及Diffractive Optics & Computing Physics LabUniversity of Science & Technology of China负折射率的预言负折射率的预言。，有无源各向同性介质中，质方程各向同性介质的电磁性。，式如下：麦克斯韦方程的微分形tEHtHEHEEjHBEDtDjHtBEBD000000000., ,0Diffractive Optics & Compu

3、ting Physics LabUniversity of Science & Technology of China构成右手系。和，定义其中两两垂直，均与可以看出代入麦克斯韦方程得系如下：此时偏微分算子对应关为波，可设其电磁场分别对于时谐单色平面电磁kHEkcnkkkHEEHkHEkHkEkjtjkeHHeEErktjrktj,2,., 0, 0/,00)(0)(0Diffractive Optics & Computing Physics LabUniversity of Science & Technology of China20022200202002022,/1/1E0)()()(

4、ncnccnkkEkEkHkHkEkEkEkkEkkk所以有而光速的定义为另一方面由定义有有非零解时要求把第四式代入上式，有即叉乘得第三式两边用., 0, 000EHkHEkHkEkDiffractive Optics & Computing Physics LabUniversity of Science & Technology of China 那么折射率就有正负两个根： 我们习惯上舍弃负根，只保管正根。 什么情况下折射率才取负值？2nnn,Diffractive Optics & Computing Physics LabUniversity of Science & Technolo

5、gy of China定义定义带入第三和第四式，得带入第三和第四式，得 按照定义，按照定义，E, H 和单位矢量和单位矢量 成右手系，成右手系，所以以上两式左边系数必皆为正，即要求所以以上两式左边系数必皆为正，即要求折射率折射率n和介电常数和介电常数 、磁导率、磁导率 同号。同号。kcnkk2., 0, 000EHkHEkHkEkEHkcnHEkcn00kDiffractive Optics & Computing Physics LabUniversity of Science & Technology of China2n. 0n0, 0; 0n0, 0时，当时，当Veselago在在19

6、67年预言了负折射率的存在。年预言了负折射率的存在。 由于在此介质中，电场、磁场和波矢成左手系，所由于在此介质中，电场、磁场和波矢成左手系，所以，负折射率介质又称左手介质，相应地，正折射率介以，负折射率介质又称左手介质，相应地，正折射率介质被称为右手介质。负折射率资料中，能流方向和相速质被称为右手介质。负折射率资料中，能流方向和相速度方向相反。度方向相反。Diffractive Optics & Computing Physics LabUniversity of Science & Technology of China负折射景象负折射景象 两点两点A和和B分别在折分别在折射率为射率为n1和

7、和n2的均的均匀介质中，到界面匀介质中，到界面的间隔分别为的间隔分别为a和和b，两点沿界面的间隔两点沿界面的间隔为为l，设折射点，设折射点O与与A沿界面方向相距为沿界面方向相距为y。 求求AB间光线传播途间光线传播途径即径即O点位置。点位置。ABOn1n2ablyDiffractive Optics & Computing Physics LabUniversity of Science & Technology of China,)(0)()(0.)(/,/222221212122222211ylbylnyayndyttdcdyOBnAOndylbnctOByanctAO即，即有对路径的变分

8、为的光程由费马原理，实际光线ABOO1212n1n2yablyDiffractive Optics & Computing Physics LabUniversity of Science & Technology of China2211sinsin, 0nnyl上式即为斯涅尔定律对照图示如图中红线所示，此时在法线异侧，若折射光线和入射光线ABO12n1n2yablDiffractive Optics & Computing Physics LabUniversity of Science & Technology of China22112211222221sinsinsinsin,)(,

9、 0nnnnylbylnyaynyl则上式可记为负，在法线同侧时折射角为射光线倘若规定折射光线和入对照图示上式即为即如图中蓝线所示，此时在法线同侧，若折射光线和入射光线ABO12n1n2ablyDiffractive Optics & Computing Physics LabUniversity of Science & Technology of China负折射资料的研制 2001年加州大学的David Smith等人根据Pendry等人的建议，利用以铜为主的复合资料初次制造出在微波波段具有负介电常数、负磁导率的物质，并察看到了其中的反常折射定律。 负的介电常数可以由长金属导线阵列the

10、 array of long metallic wires，ALMWs这种构造获得。 负的磁导率可以由微型金属共振器，比如具有高磁化率的开口环形共振器the split ring resonators ，SRRs来获得 。Diffractive Optics & Computing Physics LabUniversity of Science & Technology of China实验制得的左手资料构造实验制得的左手资料构造左手资料的研制被左手资料的研制被杂志评为杂志评为2003年度年度全球十大科学进展。全球十大科学进展。Diffractive Optics & Computing P

11、hysics LabUniversity of Science & Technology of China实验观测负折射Diffractive Optics & Computing Physics LabUniversity of Science & Technology of China 超音速超音速 在真空中，匀速运动的带电粒子不会辐射电磁波。在真空中，匀速运动的带电粒子不会辐射电磁波。 在介质中，当带电粒子匀速运动时会在其周围引在介质中，当带电粒子匀速运动时会在其周围引起诱导电流，从而在其途径上构成一系列次波源，起诱导电流，从而在其途径上构成一系列次波源，分别发出次波。分别发出次波。 当

12、粒子速度超越介质中光速时，这些次波相互关当粒子速度超越介质中光速时，这些次波相互关涉，从而辐射出电磁场，称为涉，从而辐射出电磁场，称为Cherenkov辐射。辐射。 负折射率介质中的反常负折射率介质中的反常Cherenkov辐射辐射Diffractive Optics & Computing Physics LabUniversity of Science & Technology of ChinaABC冲击波波面右手介质中的冲击波方向左手介质中的冲击波方向./cosncncDiffractive Optics & Computing Physics LabUniversity of Scie

13、nce & Technology of China右手介质右手介质 左手介质左手介质 干涉后构成的波前，即等相面是一个锥面。干涉后构成的波前，即等相面是一个锥面。右手介质中，电磁波的能量沿此锥面的法线方向辐射出去，右手介质中，电磁波的能量沿此锥面的法线方向辐射出去，是向前辐射的，构成一个向后的锥角；是向前辐射的，构成一个向后的锥角；而在左手介质中，能量的传播方向与相速度相反，因此辐而在左手介质中，能量的传播方向与相速度相反，因此辐射将背向粒子的运动方向发出，辐射方向构成一个向前的射将背向粒子的运动方向发出，辐射方向构成一个向前的锥角。锥角。 Diffractive Optics & Compu

14、ting Physics LabUniversity of Science & Technology of China反常Doppler效应 声波的Doppler效应。 在正常资料中，波源和察看者假设发生相对挪动，会出现Doppler效应：两者相向而行，察看者接纳到的频率会升高，反之会降低。 但在负群速度资料中正好相反，由于能量传播的方向和相位传播的方向正好相反，所以假设二者相向而行，察看者接纳到的频率会降低，反之那么会升高，从而出现反常Doppler频移。 Diffractive Optics & Computing Physics LabUniversity of Science & Te

15、chnology of China2/12211ccn，其中相对论因子探测器向光源挪动：探测器向光源挪动：右手介质中，探测到的频率变高；右手介质中，探测到的频率变高；左手介质中，探测到的频率变低。左手介质中，探测到的频率变低。，时，当，时，当ccnccn11Diffractive Optics & Computing Physics LabUniversity of Science & Technology of China负光压负光压光子动量光子动量kDiffractive Optics & Computing Physics LabUniversity of Science & Techn

16、ology of China反反Goos-Hanchen位移位移所谓的Goos-Hanchen位移是指当光波在两种介质的分界面处发生全反射时，反射光束在界面上相对于几何光学预言的位置有一个很小的侧向位移，且该位移沿光波传播的方向。 引起Goos-Hanchen位移的缘由是电磁波并非由界面直接反射，而是在深化介质2的同时逐渐被反射，其平均反射面位于穿透深度处。假设介质2为左手资料，那么该位移沿光波传播反方向，称为反Goos-Hanchen位移.Diffractive Optics & Computing Physics LabUniversity of Science & Technology

17、of China倏逝波倏逝波22022exp ()i txzEEi k xk z ei1i1i i1 1i i2 2n1n1n2n2k1k1k k1 1k2k2x xz z由边值条件，折射波的表达式由边值条件，折射波的表达式212121222222xxzkknnkkk122121122121212sinsininnkikknn12211221sinsin2sinsiniiiikccikiizc为纯虚数，令，发生全内反射，当21cii2121sinsin2Diffractive Optics & Computing Physics LabUniversity of Science & Techn

18、ology of China 折射波在X方向沿界面仍具有行波的方式，但沿Z方向纵深方向按指数急剧衰减。 全反射情况下，光依然要进入第二介质，这并不违反能量守恒定律。入射波的能量不是在严厉的界面上全反射的，而是穿透介质2内一定深度后逐渐反射的。2202202exp ()exp ()zxEEi k rtE ei k xt Diffractive Optics & Computing Physics LabUniversity of Science & Technology of ChinaGoos-Hanchen位移位移右手介质右手介质界面右手介质右手介质界面 右手介质左手介质界面右手介质左手介质

19、界面Diffractive Optics & Computing Physics LabUniversity of Science & Technology of China超级透镜完美透镜超级透镜完美透镜 Pendry在在2000年提出利用负折射率资料制造年提出利用负折射率资料制造“超超级透镜。级透镜。 2000与与2001年所发表的关于左手征资料的研讨论年所发表的关于左手征资料的研讨论文数量分别是文数量分别是13篇与篇与17篇，篇，2002年年60篇，篇，2003年年上升到上升到100篇以上。篇以上。 “超级透镜成像：超级透镜成像： 1、一块平板就能构成一块透镜；、一块平板就能构成一块透镜

20、； 2、一切傅立叶分量全部聚焦；、一切傅立叶分量全部聚焦； 3、能放大倏失波。、能放大倏失波。Diffractive Optics & Computing Physics LabUniversity of Science & Technology of China频率为频率为的偶极子，其辐射场的电场分量可以利用的偶极子，其辐射场的电场分量可以利用傅立叶级数展开为如下方式：傅立叶级数展开为如下方式：倏逝波衰减很快，无法参与成像，故传统光学透倏逝波衰减很快，无法参与成像，故传统光学透镜参与成像的成分为镜参与成像的成分为故分辨率为故分辨率为Diffractive Optics & Computing

21、 Physics LabUniversity of Science & Technology of China当当 ，即折射率，即折射率 时，由菲涅尔公式时，由菲涅尔公式得知此时反射系数为得知此时反射系数为0，即传播波无损失地参与了成像。，即传播波无损失地参与了成像。波传播一段间隔波传播一段间隔z的效应相当于复振幅乘以的效应相当于复振幅乘以 。对于。对于倏逝波，相当于场的指数衰减或者加强。倏逝波，相当于场的指数衰减或者加强。由于左手介质和右手介质中波矢由于左手介质和右手介质中波矢k的方向恰巧相反，所以右的方向恰巧相反，所以右手介质中的衰减场进入左手介质后变为加强场，相当于手介质中的衰减场进入左

22、手介质后变为加强场，相当于左手介质对其进展放大，放大后的倏逝场经过透镜右端左手介质对其进展放大，放大后的倏逝场经过透镜右端进入右手介质后重新衰减，最后在像平面上恢复为原来进入右手介质后重新衰减，最后在像平面上恢复为原来的值，参与成像。的值，参与成像。1nDiffractive Optics & Computing Physics LabUniversity of Science & Technology of China倏逝波参与成像Diffractive Optics & Computing Physics LabUniversity of Science & Technology of C

23、hina超级透镜成像模拟动画，双击开场超级透镜成像模拟动画，双击开场Diffractive Optics & Computing Physics LabUniversity of Science & Technology of China运用前景运用前景 高指向性的天线通讯系统，如手机。 完美透镜超分辨，资料储存媒介。 电磁波隐身国防。Diffractive Optics & Computing Physics LabUniversity of Science & Technology of China日本日本“隐身衣隐身衣Diffractive Optics & Computing Phys

24、ics LabUniversity of Science & Technology of China我国研讨情况我国研讨情况 单位：复旦大学、同济大学、香港科技大学、中科院物理研讨所、南京大学、北京大学、西北工业大学。 国家自然科学基金委将左手资料和负折射效应的研讨列入了2005年重点交叉工程指南： 在数理部和工程与资料学部结合的“准相位匹配研讨中的假设干前沿课题主题中将“左手资料相关根底性问题研讨列为主要探求内容之一；在数理部和信息科学部结合的“周期和非周期微构造的新光子学特性主题中将“周期及非周期微构造中在太赫兹、近红外及可见波段的负折射效应研讨列为主要探求内容之一；基金委信息学部将“异向介质实际与运用根底研讨列入2005年重点工程指南，异向介质即是左手资料的另一个称号。 Diffractive Optics & Computing Physics LabUniversity of Science & Technology of China光学频段的负折射 在光子晶体中实现了光学频段的负折