《负折射率介质》ppt课件

1、光学课件2021.4.2负折射率介质简介 一、负折射的定义及性质二、负折射的电磁学解释三、负折射资料的制备四、负折射资料的运用前景五、总结负折射引言 n 负折射景象是俄国科学家Veselago 在1968 年提出的：当光波从具有正折射率的资料入射到具有负折射率资料的界面时，光波的折射与常规折射相反，入射波和折射波处于界面法线方向同一侧。直到本世纪初这种具有负折射率的资料才被制备出来。这种资料由金属线和非闭合金属环周期陈列构成，也被称为metamaterial。在这种资料中，电场、磁场和波矢方向遵守“左手法那么，而非常规资料中的“右手法那么。因此，这种具有负折射率的资料也被称为左手资料，光波在其

2、中传播时，能流方向与波矢方向相反。英国科学家Pendry 提出折射率为-1的一个平板资料可以作为透镜实现完美成像，可以放大衰势波使成像的大小突破光学衍射极限。负折射景象实验和超透镜提出时引起极大的争议，由于这些概念违反人们的直觉。1、什么是负折射率及左手性介质n右手性介质常规介质介质中电场、磁场和波矢三者构成右手关系，波的折射遵照斯涅尔Snell定律。n左手性介质负折射率介质介质中电场、磁场和波矢三者构成左手关系，波的折射不遵照斯涅尔Snell定律。斯涅尔定律n斯涅尔定律：即折射定律，由荷兰数学家斯涅尔发现，是在光的折射景象中，确定折射光线方向的定律。当光由第一媒质折射率n1射入第二媒质折射率

3、n2时，在平滑界面上，部分光由第一媒质进入第二媒质后即发生折射。实验指出：1折射光线位于入射光线和界面法线所决议的平面内；2折射线和入射线分别在法线的两侧；3入射角i的正弦和折射角i的正弦的比值，对折射率一定的两种媒质来说是一个常数. 2、负折射率介质的异常传播性质 3、逆多普勒效应4、在分界面上的边境条件5、负Goos-Hanchen位移6、逆切连科夫辐射3、为什么折射率可以是负的 n负折射率有两种情况： 第一种是在几何光学中，将反射镜等效地看成一个折射率为-1的透射镜，这样，一切透射系统的成像公式就可以方式不变地运用到反射系统了。然而，这种情况下只是数学方式上的等效，并不是折射率真的为负数

4、。 n第二种情况是在所谓的“左手媒质中。这是一种奇特的媒质，它的介电常量和磁导率都是负的，折射率也是负的。电磁学实际并不排除这种媒质的存在，而且实验上也观测到了这种媒质。关于它的电磁性质和光学性质已有专门的著作论述。对于“左手媒质，折射定律依然成立，这时入射角和折射角符号相反，阐明折射光线和入射光线在法线的同侧留意，这依然是透射，并不是反射，由于光线进入了第二种媒质。前往1、折射景象 1、折射景象 折射是自然界最根本的电磁景象之一。当电磁波以恣意角度入射到两种不同折射率的介质交界面处时，波传播的方向会发生变化。 均为相速。，方向，式中射波前进的定律，由它可以计算折此式即为，故有，为波前，由于虚

5、线中的折射，中的入射波在介质图一表示介质2112112221212211VVSnellnnVVsinsintVCBsinCEtVCBsinAC,21BEAC2、电介质实际 1837年，法拉第最先提出电介质在电场中极化的概念1850年，0FMosotti提出了电介质极化实际方程： , 式中M是分子量， 是电介质密度， 是空气分子平均极化率， 是阿伏伽德罗常数由于RClausius也曾导出此式，上式称为Clausius-Mosotti方程它的适用范围是：非极性分子、低密度介质推导时用许多导体圆球代表分子 03421aNMArr0aAN 1880年，HALorenntz和LVLorenz用光学方法导

6、出了一个包含折射率的公式，称为Lorentz-Lorenz方程 对比上式， ， 其运用范围仍为非极性分子 0223421aNMnnArn2 对于极性分子的介质，1912年，德拜给出， 式中u为电偶极矩，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度上式阐明，静电场中总极化由诱导(变形)极化和取向极化两种作用组成如分子u=0，德拜方程简化为Clausius-Mosotti方程但如外场为交变电场，要思索极性分子的弛豫时间的影响，这时该式改为 可见，弛豫时间的影响是由取向极化率的改动而实现的3342120kTuaNMArr113342120jkTuaNMArr 因此，对极性分子介质而言，只需 (以及n)才与频率无关

7、， 才成立总的讲，当频率f100GHz时， 的影响可不思索， 式坚持正确这就不难了解近年来的负折射率研讨是在微波段(10GHz以下)获得胜利的缘由r, 1rn2rn23、实际解释 在普通条件下有 。故有 ，这里的负号不能随意丢掉在某种资料同时具有 0， 0时，上式右端能够应取负值接近透明媒质的折射率函数n(w)的实部通常是正值DRSmith和NKroll分析了电流源向一维左手化媒质(LHM)辐射的情况(该媒质的介电常数和导磁率均为负)，对n(w)函数的深化分析，证明在某个频区Ren(w)实践上必需为负值rrn2rrnrr 4、讨论1、负折射景象违反费马原理吗？2、电场能量密度为 ，磁场能量密度

8、为 。式中E、H分别为电场强度、磁场强度；假设，我们0,0)方向，检测器是用x频段波导衔接的微波功率丈量安装，实践上是用波导同轴转换器及HP8756A型标量网络分析仪微波波束从棱镜射出时，外表为折射界面(按Snell定律规定的角度方向)如今把检测器安装在可旋转的架子上(15步进)，这时实验人员就可以对RHM，LHM分别丈量其接纳电平与角度()的关系，并作比较以下图左是取频率f=105GHz时接纳电平与折射角的关系，为了方便，把两种样品的峰值电平都归一化为1。结果是，对于常规树料(RHM)的Teflon，峰值发生在27处，对应n1401;对于LHM系统，峰值发生在-61处，对应n27 01可见，

9、在LHM情况下、折射角与BHM相差88 (接近2即90度)故在一定频率(满足LHM要求的频率)下，折射角按与Snell定律指示的不同方向偏转，呈现n0。 上图是折射率与频率的关系(蓝实线为Tenflon，黑实线为LHM)当f10210，8GHz时，LHM处在负折射率频区，且高度色散性总之，Veselago在32年前的预测得到了证明前往1、隐身技术 要实现资料的隐身，最关键的技术就是制造出能扭曲可见光波的资料，只需制造出性能适宜的资料，适用的“隐身衣完全能够在近期问世，因此，能使光波“弯曲的负折射率资料在实验上的胜利合成，为可见光的区的隐身技术提供了关键性的根底。 在负折射率资料中，电场、磁场和

10、波矢方向遵守“左手法那么，而并非常规资料中的“右手法那么。当光从具有正折射率的资料常规资料入射到具有正折射率资料的界面时，入射光线和折射光线分别位于法线两侧，这是我们所熟知的结果。而当光从具有正折射率的资料入射到具有负折射率资料的界面时，光的折射与常规折射相反，入射光线和折射光线处在于界面法线方向同一侧，也就是说，在这种资料中，光出现了异常传播，出现了扭曲的景象。 2、光学器件上的运用 负折射介质的一个重要运用是透镜成像。实际和实验均阐明，所制备的准晶光子平板构造确实可以对从点光源发出的电磁波起会聚和成像作用。而且，所成的像可在近场区域之外，像距随物距的增大而线性增大，这些特征和一个理想的折射

11、率为-1的介质平板的折射和成像行为非常吻合，充分阐明了所制备的准晶光子构造具有优良的负折射性质。 负折射介质最引人注目的地方是它们可以放大倏逝波，从而实现“超透镜效应，极大地提高了透镜成像的分辨率。这将在核磁共振成像、光存储和超大规模集成电路中的光刻技术等诸多方面得到运用。 利用光在负折射率资料中异常的传播景象，在今天我们能用一块平板玻璃就能构成一块透镜，利用负折射率资料的这个特性可以制造平面近视眼镜。我们知道，用常规资料制造眼镜，为了进展不失真的成像，眼镜片必需做成弧线外形，而负折射率资料由于对光线的偏折方向相反，所以可以做成平面镜片，不失真并且坚持超高的分辨率。 3、在其它方面的运用 根据负折射率资料不同凡响的特性，科学家已预言可以运用于通讯系统以及资料储存媒介的设计上，用来制造更小的挪动或者是容量更大的储存媒体；等效的负折