负折射率介质

1、光学课件，2009.4.2，负折射率介质介绍，一，负折射的定义和性质二，负折射的电磁场解释三，负折射材料的制备四，负折射材料的应用前景五，总结，负折射引言， 负折射现象由俄罗斯科学家Veselago在1968年提出：当光波从正折射率材料入射到负折射率材料的界面时，光波的折射与正常折射相反，入射波和折射波与界面法线方向位于同一侧。 到本世纪初这个负折射率的材料已经制作出来了。 该材料由金属线和非闭合的金属环周期性地排列构成，也被称为元材料。 在这种材料中，电场、磁场和箭头的方向遵守“左手”的法则，在非常规的材料中，遵守“右手”的法则。 因此，该具有负折射率的材料也称为左手材料，光波在其中传播时，

2、流动的方向与波的箭头的方向相反。 英国科学家Pendry提出，折射率为-1的平板材料作为透镜可以实现完美的成像，放大衰减波，成像大小可以突破光学衍射极限。 在提出负折射现象的实验和超镜头时引起了很大的争论，是因为这些概念与人的直觉相反。 1、负折射率和左手性介质是右手性介质(通常介质)中的电场、磁场和波箭三者构成右手的关系，波的折射遵循斯涅尔(Snell )定律。 在左手性介质(负折射率介质)介质中，电场、磁场、波箭三者构成左手的关系，波的折射不遵守斯涅尔(Snell )定律。 斯涅尔定律，斯涅尔定律：折射定律，荷兰数学家斯涅尔发现的是在光的折射现象中决定折射光线方向的定律。 当光从第一介质(

3、折射率n1 )入射到第二介质(折射率n2 )时，光的一部分在平滑界面处从第一介质入射到第二介质时发生折射。 根据实验，(1)折射光线在由入射光线和界面法线决定的平面内(2)折射线和射线分别在法线的两侧(3)入射角I的正弦和折射角I的正弦之比，在折射率一定的两种介质中为常数. 2，负的折射率介质的异常传播特性，3，反多普勒效应，4，界面处的5、负的Goos-Hanchen位移，6，反捷克科夫辐射，3，为什么折射率可以为负，负的折射率有两种情况：第一种是几何光学，将反射镜等效地视为折射率为-1的透射镜，是所有透射系统的成像式，但是，这里第二种情况在所谓的“左手媒体”。 这是介电常数和磁导率都为负，

4、折射率也为负的特异介质。 电磁学理论不排除这种介质的存在，实验上也观测到了。 关于其电磁性质和光学性质，已经有专业着作论述了。 对于“左手介质”，折射定律保持不变，入射角和折射角的符号相反，表示折射光线和入射光线与法线处于同一侧(请注意，这仍在透射，没有反射)。 因为光线在第二介质中)。 回到1，折射现象，1，折射现象的折射是自然界最基本的电磁现象之一。 当电磁波以任意角度入射到折射率不同的两个介质的边界面时，波的传播方向发生变化。2、介电理论，1837年，法拉第是介电体在电场中极化的概念1850年，0FMosotti提出了介电体极化理论方程式：式中，m是分子量、介电体密度、空气分子平均极化率

5、，阿伏伽德罗常数也由RClausius导出，上式是clai us-m 其应用范围是在导出无极性分子、低密度介质时用许多导体球代表分子，、1880年，HALorenntz和LVLorenz以光学方式导出包含折射率的公式，与Lorentz-Lorenz方程式相比，其应用范围是无极性分子，对于极性分子的介质器件在式中u为偶极矩，k为波尔兹曼常数，t用绝对温度上式说明，静电场的总极化由感应(变形)极化和取向极化两个作用构成，如分子u=0，器件方程式被简化为claius-mosobotti方程式，但外场为交变电场， 由于必须考虑极性分子的弛豫时间的影响的弛豫时间的影响是通过取向极化率的变化来实现的，因此

6、，对于极性分子介质，仅(和n )与频率无关，总的来说，没有考虑频率f100GHz时的影响，公式正确是近年来的负折射率研究在微波带(1 因此，这里的负号在特定材料同时具有0，0的情况下，应在上式右端取负值的透明介质的折射率函数n(w )的实部通常为正值DRSmith和NKroll，电流源一维左手化介质(LHM ) 分析辐射情况(该介质的介电常数和磁导率均为负)，深入分析n(w )函数，证明某频域Ren(w )实际上必须为负值2，电场能量密度，磁场能量密度为。 公式中的e、h分别是电场强度、磁场强度，如果我们是0、0的话，就能得到负之和，即负的电磁能。 为了负面带来了负面的能量吗？返回、1、制造方

7、法、一般材料的折射率总是正值。 但是，20世纪90年代，英国伦敦帝国工科大学的彼得利认为制作折射率为负的人工材料是可能的。 该解决方案是收集当他们通过时能与光波电磁场共振的电子部件。 因为这些材料不像普通物质，所以他们的名字叫“超类物质”。 制造超类物质的方法是，首先在玻璃板上堆积银，在其上复盖薄薄的不传导的镁氟化物，最后复盖银，形成100纳米厚的“三明治”。 之后，多林在这样的金属三明治上蚀刻了方孔，做成金属网一样的格子。 目前理论和实验报告的负折射效应仅限于周期性人工微结构材料，典型的有由金属线阵列和有间隙的环形谐振器组成的周期阵列和由介质材料周期性排列的光子晶体。 前者只能在微波波段工作

8、，后者的工作波段扩展到可见光和红外区域。 总的来说，在这些周期结构中，晶格的布拉格散射发挥着重要的作用。 负折射效应可以说是非均匀介质对电磁波复杂群体响应行为的等效外观现象。人工结构的负折射率介质样品，2，负折射率的实验证明，上图是测量装置，被测量样品(棱镜)位于两个圆形铝板(直径30cM )之间，板间距离12cm的粗黑箭头表示到来波方向和折射(n0 )方向， 检测器是用x波段波导连接的微波功率测量装置，实际上，当波导同轴转换器和HP8756A型标量网络分析器的微波束从棱镜发射时，表面呈折射界面(Snell定律所规定的角度方向)，当前可旋转检测器在这种情况下，实验者分别针对RHM、LHM测定接

9、收电平和角度()的关系，下图左侧比较频率f=105GHz时的接收电平和折射角的关系，为了方便，两个样本都将峰值电平标准化为1。 结果，在普通树木(RHM )的特氟隆中，峰出现在27处，在与n1401对应的LHM系统中，峰出现在-61处，与n27 01对应，因此，在LHM的情况下，折射角和BHM不同88度(约2.90度) 当、上图为折射率与频率的关系(蓝实线为Tenflon，黑实线为lhm)f10210、8ghz时，LHM处于负折射率的频域中，并且高色散性，即Veselago在32年前的预测中得到了证明，返回、1、隐藏技术、材料的隐藏最重要的技术是制造使可见光波变形的材料，如果制作性能适当的材料

10、，实用的“隐衣”就有可能在近期诞生，能够实验性地合成光波的“弯曲”负折射率材料，为可见光区域的隐蔽技术提供了重要的基础。 对于负折射率材料，电场、磁场和箭头的方向遵守“左手”定律，而不是通常材料的“右手”定律。 已知光从具有正折射率的材料(通常的材料)入射到具有正折射率的材料的界面时，入射光线和折射光线分别位于法线的两侧。 另一方面，当光从具有正折射率的材料入射到具有负折射率的材料的界面时，光的折射与以往的折射相反，入射光线和折射光线位于与界面法线方向相同的一侧，即，在该材料中，光异常传播而变形。 2、在光学元件上的应用，负折射介质的重要应用是透镜图像。 理论和实验表明，所制作的准晶光子平板结

11、构对点光源发出的电磁波能可靠地发挥会聚和成像作用。 并且，所形成的像在近场区域外，像距随着物质距离的增大而线性增大，这些特征与理想折射率为-1的介质平板的折射和成像行为很好地一致，充分表明所制备的准晶光子结构具有优异的负折射特性。 负折射媒体最引人注目的是，放大渐逝波实现“超透镜效果”，大大提高了透镜成像的分辨率。 它在核磁共振成像、光存储和超大规模集成电路的光刻技术等多方面得到应用。 利用在负折射率材料中光异常传播的现象，今天我们可以用平板玻璃构成透镜，利用负折射率材料的这个特性可以制作平面近视眼镜。 已知，在用通常的材料制作眼镜时，为了进行没有变形的成像，眼镜透镜必须形成为圆弧形状，而负的折射率材料的光线的偏转方向相反，因此可以形成为平面透镜，没有变形，能够保持超高分辨率。 3、在其他方面的应用预言，负折射率材料的不同特性使科学家能够应用于通信系统和数据存储介质的设计，制造更小的移动电话和大容量存储介质