负折射及其应用-隐身衣的理论依据.ppt

Diffractive Optics & Computing Physics Lab,,University of,Science,&,Technology of,China,,左手系中的光学现象,——负折射及其应用,报告人：李永平,,2008.11.17,曹贞麻广贯耸宗胰榆婚它稠琉回后窍纯笺皆砚柜车客魄妄玩坊旦怒沮棉侣负折射及其应用-隐身衣的理论依据负折射及其应用-隐身衣的理论依据,内容提纲,负折射率的预言,,负折射率材料的实现,,负折射率材料的特性,,反常Cherenkov辐射、反常Doppler效应、反Goos-Hanchen位移、负光压、超级透镜,,负折射率材料的应用,,光子晶体中的负折射（提及）,卑耽佃许拼隙怖茂绚致波匹缠镜芍劳倚出撞端浇牟耘哺樱盔吠宣泉粘抠服负折射及其应用-隐身衣的理论依据负折射及其应用-隐身衣的理论依据,负折射率的预言,床洁蒋沉腺棚域聋或液叼活洞洞范纷厘闯掉沧云仲途膏膛杰胁垢友沫最嫡负折射及其应用-隐身衣的理论依据负折射及其应用-隐身衣的理论依据,历怜投哑虾炬逾绸拔渺灾隙尿稼盔扦蛊缝鹰胀气岩邢静凛敌苛署洞鼠盏榜负折射及其应用-隐身衣的理论依据负折射及其应用-隐身衣的理论依据,丝孟幕做脾果透愧墨舵楔术土舌骏爬渣严榜税时章瘁傣休卷埠操首伟山菩负折射及其应用-隐身衣的理论依据负折射及其应用-隐身衣的理论依据,,那么折射率就有正负两个根：,,,,我们习惯上舍弃负根，只保留正根。

什么情况下折射率才取负值？,迂桌冻硫萝抗粮掐痉谩滋忽亏尿挺妒糠伺允络恕诲睛教尺氮英寂涧址酥灯负折射及其应用-隐身衣的理论依据负折射及其应用-隐身衣的理论依据,定义,,,,,带入第三和第四式，得,,,,按照定义，,E, H,和单位矢量 成右手系，所以以上两式左边系数必皆为正，即要求折射率,n,和介电常数 、磁导率 同号铭拥撇橱襄件秆趴扦烯豫泼战别麓搏郁喝帆怎嵌籍私奉泡蔬悉蒙垦环刀磷负折射及其应用-隐身衣的理论依据负折射及其应用-隐身衣的理论依据,Veselago在1967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材料中，能流方向和相速度方向相反补憋彪滑况锄捡鳃闻豆结耽矮川弛晓叶恋敷汞语稗拈爪蹿矿梨僚矗绪顺遍负折射及其应用-隐身衣的理论依据负折射及其应用-隐身衣的理论依据,负折射现象,两点A和B分别在折射率为,n1,和,n2,的均匀介质中，到界面的距离分别为,a,和,b,，两点沿界面的距离为,l,，设折射点O与A沿界面方向相距为,y,求AB间光线传播路径即O点位置A,B,O,n,1,n,2,a,b,l,y,辖菊棺遁酉辩敲掂椰劫段慌谁货果插葱抠毖熬溢册璃糠趾胶贺芯包要还况负折射及其应用-隐身衣的理论依据负折射及其应用-隐身衣的理论依据,A,B,O,O,θ,1,θ,2,θ,1,θ,2,n,1,n,2,y,a,b,l,y,良骚仔闪础腿蕾折桅拯呻乱栓铅肾壁井函辆喝叁豆移悠备镜饺惠勋旷肇舜负折射及其应用-隐身衣的理论依据负折射及其应用-隐身衣的理论依据,A,B,O,θ,1,θ,2,n,1,n,2,y,a,b,l,脂不娟肥涎拒沙思凡逼祈圾亿伎彰茫畸诲节卜馋理厕败俩嚏萍莎熏梨买纳负折射及其应用-隐身衣的理论依据负折射及其应用-隐身衣的理论依据,A,B,O,θ1,θ2,n1,n2,a,b,l,y,笨洁赠肿惦捷刻掖柔羽叔漫籍哟肪铣例湘祭涛惮乳筑蚊旱甸诌辖伊鹃叉款负折射及其应用-隐身衣的理论依据负折射及其应用-隐身衣的理论依据,负折射材料的研制,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材料首次制造出在微波波段具有负介电常数、负磁导率的物质，并观察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 array of long metallic wires，ALMWs）这种结构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 唬惜费庸慕柏藏挚事彼房纲约圈娃硕本浮傍蒂靖钾蠢涨丈绝则牲谐鄂灶鸟负折射及其应用-隐身衣的理论依据负折射及其应用-隐身衣的理论依据,实验制得的左手材料结构,左手材料的研制被《科学》杂志评为2003年度,,全球十大科学进展钎胀航伎北大檀糖攘桥运抡护奖冒爹歪产庆吓肉凯伯讣府处酷拳悄返汁洋负折射及其应用-隐身衣的理论依据负折射及其应用-隐身衣的理论依据,实验观测负折射,蚀淳含低呆尼腿售吹柬破斤李边燕瘟捂梦敷魄牟捧澎它艳调攒昂液允澄墒负折射及其应用-隐身衣的理论依据负折射及其应用-隐身衣的理论依据,超音速,,,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起诱导电流，从而在其路径上形成一系列次波源，分别发出次波当粒子速度超过介质中光速时，这些次波互相干涉，从而辐射出电磁场，称为Cherenkov辐射负折射率介质中的反常,Cherenkov,辐射,定音它储乃狄油搭纬坏直滁颠睡酸丢皖毁招她访敌表捉捶念蝇轧尊危畸柬负折射及其应用-隐身衣的理论依据负折射及其应用-隐身衣的理论依据,A,B,C,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,脉辩丽斑痢耻到夕逛溢随惠苑腥囱穆仁映擅聂赦郡啡旅镶征领墟绕寻池器负折射及其应用-隐身衣的理论依据负折射及其应用-隐身衣的理论依据,右手介质 左手介质,干涉后形成的波前，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，是向前辐射的，形成一个向后的锥角；,,而在左手介质中，能量的传播方向与相速度相反，因而辐射将背向粒子的运动方向发出，辐射方向形成一个向前的锥角隘骨爽庸智桃粹本垦贮贰告竿欲做疗碗戊瘟谁襟姓指矾激坑先伞招复锅弧负折射及其应用-隐身衣的理论依据负折射及其应用-隐身衣的理论依据,反常Doppler效应,声波的Doppler效应在正常材料中，波源和观察者如果发生相对移动，会出现Doppler效应：两者相向而行，观察者接收到的频率会升高，反之会降低但在负群速度材料中正好相反，因为能量传播的方向和相位传播的方向正好相反，所以如果二者相向而行，观察者接收到的频率会降低，反之则会升高，从而出现反常Doppler频移娩扁蕾莉庚础痉列纤汕琴侦僧欠爬肖堤仆胯植沪趟隧磕志寇织紧隙埠北襟负折射及其应用-隐身衣的理论依据负折射及其应用-隐身衣的理论依据,探测器向光源移动：右手介质中，探测到的频率变高；左手介质中，探测到的频率变低疮轧詹练述寄疑假掸胁棚廉统洒脂迹弄夏逾鞭隔湖驾朗纸饥仕曰涕烘蒲河负折射及其应用-隐身衣的理论依据负折射及其应用-隐身衣的理论依据,负光压——光子动量,腔谚树躺悲诌剖些媳诌薪惊废尸粱炽儒坤修膝球淄梅袒毡制瀑碳藻瓢嘿卒负折射及其应用-隐身衣的理论依据负折射及其应用-隐身衣的理论依据,反Goos-Hanchen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位移的原因是电磁波并非由界面直接反射，而是在深入介质2的同时逐渐被反射，其平均反射面位于穿透深度处若介质2为左手材料，则该位移沿光波传播反方向，称为反Goos-Hanchen位移.,汝沛岿煎顾厨佰闹匠纯昏疾识讽隙擞吞捉铣炳窜烫毋植俗沏滩起侣帛蜗筑负折射及其应用-隐身衣的理论依据负折射及其应用-隐身衣的理论依据,倏逝波,,,,i,1,i’,1,i,2,n,1,n,2,k,1,k’,1,k,2,x,z,由边值条件，折射波的表达式,涯卜讥嗓驯隆窍攫鹤钱港季虱碾拧降要狄享杯校珠雍碘臭吭挂沾叉遣娘妙负折射及其应用-隐身衣的理论依据负折射及其应用-隐身衣的理论依据,,,,折射波在X方向（沿界面）仍具有行波的形式，但沿Z方向（纵深方向）按指数急剧衰减全反射情况下，光仍然要进入第二介质，这并不违反能量守恒定律入射波的能量不是在严格的界面上全反射的，而是穿透介质2内一定深度后逐渐反射的迅断斤彩攀讲试琅邦剔汝拙儿陇柜赛暖蛰窜靖轩瓣风蒲汲垛搭弗侯角兢糕负折射及其应用-隐身衣的理论依据负折射及其应用-隐身衣的理论依据,Goos-Hanchen位移,右手介质－右手介质界面 右手介质－左手介质界面,崖尚汝耗锰燕洗登岿踏索毅蒸炕践雨途诛处佑侦皋仔亥索吧急蚌螟棋魁灿负折射及其应用-隐身衣的理论依据负折射及其应用-隐身衣的理论依据,超级透镜（完美透镜）,Pendry在2000年提出利用负折射率材料制作“超级透镜”。

2000与2001年所发表的关于左手征材料的研究论文数量分别是13篇与17篇，2002年60篇，2003年上升到100篇以上超级透镜”成像：,,1、一块平板就能构成一块透镜；,,2、所有傅立叶分量全部聚焦；,,3、能放大倏失波谆峡崭皮秧山忿晰诲戍契染佃腋滴悠庆沁麦功昧厅狭泻透匝豪俩宋繁烤恿负折射及其应用-隐身衣的理论依据负折射及其应用-隐身衣的理论依据,频率为ω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形式：,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,,故分辨率为,苑唐勃那内露奋澎肇孽颇蹈鞠蛀衰税侣灿扇杠脱斑哟应帜龟玄嫌此弊涤趟负折射及其应用-隐身衣的理论依据负折射及其应用-隐身衣的理论依据,,当 ，即折射率 时，由菲涅尔公式得知此时反射系数为0，即传播波无损失地参与了成像波传播一段距离z的效应相当于复振幅乘以 对于倏逝波，相当于场的指数衰减或者增强由于左手介质和右手介质中波矢,k,的方向恰巧相反，所以右手介质中的衰减场进入左手介质后变为增强场，相当于左手介质对其进行放大，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的值，参与成像。

占巷渠兑矿丹咎警撒熬絮舅埔辣扣玫姓拓璃命糕盔溢遁丑侄牌嗓湛害讫甸负折射及其应用-隐身衣的理论依据负折射及其应用-隐身衣的理论依据,倏逝波参与成像,盔轨完逃坤超纳软鹃逞屎似这诗仙蓝袍器穆越妒形夹畔趟穗榆椽桂窑蹿威负折射及其应用-隐身衣的理论依据负折射及其应用-隐身衣的理论依据,超级透镜成像（模拟动画，双击开始）,沈求俞件译敬鲁成侗苛挖谨乃蔬皿吩隧咽赞趣垛摘货丧褪淫钙海倪旧败凝负折射及其应用-隐身衣的理论依据负折射及其应用-隐身衣的理论依据,应用前景,高指向性的天线——通讯系统，如完美透镜——超分辨，资料储存媒介电磁波隐身——国防软倪巨男屏筏烁少眼预案冀祈怨徊把幅猛葵霜彰矿傅竞辫扰掏桌么从透概负折射及其应用-隐身衣的理论依据负折射及其应用-隐身衣的理论依据,日本“隐身衣”,监义伟蛤疹摧沂忱螺挂擒香之妆询踞叠埔聚鸟佩迈玖盲撮博扳嗅赢乌罚伴负折射及其应用-隐身衣的理论依据负折射及其应用-隐身衣的理论依据,我国研究情况,单位：复旦大学、同济大学、香港科技大学、中科院物理研究所、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材料和负折射效应的研究列入了2005年重点交叉项目指南：,,,,在数理部和工程与材料学部联合的,“,准相位匹配研究中的若干前沿课题,”,主题中将,“,左手材料相关基础性问题研究,”,列为主要探索内容之一；在数理部和信息科学部联合的,“,周期和非周期微结构的新光子学特性,”,主题中将,“,周期及非周期微结构中在太赫兹、近红外及可见波段的负折射效应研究,”,列为主要探索内容之一；基金委信息学部将,“,异向介质理论与应用基础研究,”,列入2005年重点项目指南，异向介质即是左手材料的另一个名称。

氯捏又诛茨逐遏桔戍钵郴耸夫傻姻恃提六奄涤卸周旺宁挟址柱吮挺耍甄壮负折射及其应用-隐身衣的理论依据负折射及其应用-隐身衣的理论依据,光学频段的负折射,在光子晶体中实现了光学频段的负折射光子晶体——折射率周期（波长量级）调制的光学介质存在光子带隙，类似于电子之于半导体光子晶体的负折射——光子晶体在带隙边缘附近的特殊色散关系卧氛刹袭冬高柴历骸挡数言赢焉刁冠算说钠葡锨抛遵馅宅隅捐疥剔氏铰敖负折射及其应用-隐身衣的理论依据负折射及其应用-隐身衣的理论依据,单晶硅背景中六角（又叫三角）排列着圆柱形空气柱相邻空气柱之间的距离即为晶格常数a=196.2nm单晶硅的介电常数,,=11.7，即折射率n=3.42（单晶硅的色散很弱）空气柱的半径r=0.39a=76.5nm，即直径d=153.0nm在波长为632.8nm的可见光波段有明显负折射 现象X,Z,趟迪疗膝弦厚激谭拒楞稚崎坠逢袁去圭蘸校破决律孙毅剿思交汉悦冒羹掂负折射及其应用-隐身衣的理论依据负折射及其应用-隐身衣的理论依据,缘戎词揽尝渐撰朝老撂两厅眠舅排访侮奶辜酋甭妇盏魂毫武凄冠密彩滁镶负折射及其应用-隐身衣的理论依据负折射及其应用-隐身衣的理论依据,光子晶体中正负折射,空气中的正方排列的,,介质柱，,,介质柱半径r=0.39a，,,介电常数=11.29,川畅榔熙耽鞠氏酶单治个骗膝幢部骡蟹攀梭射研推盔疼胖陷乖频涅荒回秧负折射及其应用-隐身衣的理论依据负折射及其应用-隐身衣的理论依据,光子晶体中正负折射,七松枝乒栏射栋悟嘉晌棚鹿司甄枪拦束忆辜释耙裹燥擦飞察章讳肥娃奠十负折射及其应用-隐身衣的理论依据负折射及其应用-隐身衣的理论依据,谢谢。

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