新型负折射材料的发展和应用

负折射现象是一种反常的折射现象,其与常规的折射现象存在很大的不同.随着实验条件的完善和各种技术的不断进步,越来越多的具有负折射现象的材料被发现了.本文在介绍负折射材料特性的基础上,着重介绍了几种新型的负折射材料及其应用,并作了展望.     

用惠更斯作图法研究左手材料的负折射现象

针对理解电磁波在左手材料中的传播特性,在详细分析了该介质中电磁波波矢量k的方向、大小和坡印廷矢量s之间关系的基础之上,根据电磁场理论探讨了电磁波在右手、左手材料分界面上的反射和折射(各介质都是各向同性的)现象。并运用惠更斯作图法解释了电磁波由右手材料穿越左手材料时的负折射现象。指出发生负折射现象的根本原因是由于电磁波在左手材料中传播时其波矢量与坡印廷矢量的方向相反。     

光子晶体介电常数和波导宽度对负折射现象的频率的影响

为研究光子晶体中的负折射情况,利用时域有限差分法（FDTD）并通过模拟仿真观察了光在左手材料光子晶体中的负折射现象。以硅的圆形介质柱组成的二维六边形排列结构的光子晶体为例,分析了介电常数和波导宽度的变化对负折射现象的频率范围的影响。仿真结果显示：相对介电常数不宜过大,波导宽度根据频率选择的需要可采在0.2~0.5 a范围内选取,从而为制作具有负折射现象的宽带宽光子晶体提供参考。     

从负折射超材料到光学隐身衣

1964年俄罗斯科学家V.Vesalago从Maxwell方程组出发断言具有负折射率的左手材料(LHM)可以存在,1996年和1999年J.Pendry提出了LHM的初始设计。2000年D.Smith制成首个LHM,它可把微波波束弯折到与常规的不同方向。近年来LHM吸引了人们的兴趣,它也称为超材料,但在自然界并不存在。它可变更电磁波传播,从而造成负折射甚至隐形。一个时期以来,在微波和光频进行的隐身斗篷实验是2D或3D的,它们与通常的隐形方法显著不同。LHM的其他应用如左手传输线、成像技术等。本文首先对负折射研究和隐身衣设计的历史和进展作回顾,进而讨论了这些领域中理论与实验工作的意义。可以看出负折射问题是非常复杂的。还讨论了负折射与负波速、负折射与负GH位移的关系。     

左-右手系材料界面上的表面波

利用严格的电磁理论证明2种偏振入射都能在各向同性的负折射材料与正折射材料界面上激发表面波,并推导出了相应表面波的传播波矢和激发条件.针对电磁波在非线性左手系材料中的传播性质,研究左、右手系材料界面上非线性TE表面波的传播行为,分析表明:2种界面上的非线性TE表面波均存在频率通带和禁带.     

负折射材料中电磁波的传播机理研究

该文从理论上研究了负折射材料表面的反射与透射特性,给出了归一化的反射透射功率与入射角之间的关系曲线.当入射波为垂直和（TE波）时,得到了发生负折射时的全内反射角随参数和材料折射率的变化关系.介质中的一个本征波透射到法线的另一侧,其功率流方向与传播的波矢方向相反.     

光子晶体负折射的计算机仿真研究

在计算机上采用MATLAB编程进行理想透镜和负折射三棱镜的光路仿真,分析光在光子晶体中的成像条件,重点计算一种典型的二维光子晶体:负折射三棱镜光子晶体的色散特性.结果发现,光子晶体负折射成像的条件是晶体两侧的折射率与晶体折射率必须绝对值相等,晶体的厚度必须大于光源到晶体的距离;光线在进入负折射率光子晶体三棱镜时,会存在一个最大偏向角,负折射三棱镜光子晶体可以通过调节光子晶体的结构参数来改变其色散特性.因此,在实际应用中可以利用光子晶体的色散特性,通过调节相关的结构参数来对分光仪和波分复用/解复用器等光学器件进行相关的性能优化.     

负折射物质特性的理论分析

从基本的电磁场理论出发,分析和解释负折射物质的电磁特性,以及负折射物质中的逆Cerenlov现象、逆Doppler现象、负折射率和完美透镜的工作原理,帮助人们更加清楚地认识负折射物质的本质特性,更好地开发和应用好负折射物质.     

微波驱动的四能级系统电磁诱导负折射特性

电磁诱导负折射现象是光与物质相互作用中表现出来的一种奇特的非线性效应,对其形成机理及非线性特性的研究具有重要的理论意义和巨大的潜在应用价值.建立了微波驱动下的四能级系统模型,研究了系统的介电常数和磁导率随系统参数的变化规律.由于本能级系统中存在一个可调谐耦合场,它同时与2个光学跃迁发生作用,研究结果表明,固定耦合场的拉...     

负折射率研究中的若干理论问题

对负折射率研究的理论作了评述，5年前美国UCSD的实验已证明用左手化媒质（LHM）确实可造成负折射。给出了一些理论预期，如负的群折射、负能量等。考虑了两个要点，一是正相速与负群速同时出现的可能，二是负相速与负群速同时出现的可能。认为现在已有多个负群速实验结果这一情况表明，P．M．Valanju等在2002年5月发表的文章并不正确。实际上，在实验室中获取负群速并不困难。最后讨论了从测得的微波网络参数计算等效介电常数和等效导磁率的问题。     

铁磁共振下磁各向异性材料的负折射特性研究

利用Landau-Lifshitz-Gilbert模型理论计算了铁磁共振条件下天然材料锰钙钛矿薄膜的张量磁导率,发现铁磁共振能够获得负的磁导率,而锰钙钛矿材料特有的庞磁电阻效应可以得到负的介电常数,这使得负折射率成为可能.结合麦克斯韦方程组,分析了铁磁共振时材料的微波传播特性.研究结果表明,在外磁场下天然锰钙钛矿材料不仅可以获得负折射率,更重要的是负折射的工作频率受到了外磁场强弱的调制,材料具备了可调谐特性.     

负波速研究进展

近年来有众多实验证明了超过真空中光速的可能性,并从理论上和实验上对群速超光速和负群速作了研究。本文着重论述负波速的光传播,例如光脉冲通过被测物(如原子气室或光纤)时其峰值在进入它之前就在它的输出端出现了,从而呈现出负渡越时间和负群速(NGV)。可以证明当Goos-Hnchen位移GHS为负,即D<0,而|D|>dΦ/dkz,则可获得负渡越时间(τ<0)。……文中论述的NGV传播是依靠反常色散媒质或消失波而实现的。在电磁理论中相速、群速可定义为矢量或标量。如在标量表达时出现负号,例如νg=-c/ng,不能认为负号只表示向反方向传播。必须指出在Sommerfeld-Brillouin波速理论中负群速是超光速的一种形态。本文提出了开展"三负研究"的思想,所谓"三负"是指负折射、负波速和负GH位移。如果我们透过现象看本质,这三方面的内在联系是非常重要的。最后,本文深入讨论了量子波动的内容和意义。     

左手材料和负折射

就上世纪60年代关于其理论预言开始,着重介绍了左手材料和负折射现象的基本原理及主要应用,并结合近几年的研究成果,指出在结构设计和理论完善等方面仍需进一步研究．     

铁磁线阵的负折射频率区域

从理论上研究了外磁场中的二维正方格子铁磁线阵（FWL）模型的负折射性质,计算中选用的铁磁材料分别为铁（Fe）,钴（Co）,镍（Ni）和钆（Gd）.计算了这些FWL系统的几何参数对于其负折射频率范围的影响以及负折射率随着外磁场变化的规律.发现提高负介电常数频率比较容易实现,而提高负磁导率频率则比较困难.这是因为负磁导率频率主要受饱和磁化强度的限制.所以高饱和磁化强度是提高负折射频率的关键.     

现代物理学中的负参数研究

本文首先回顾自由电子理论中的负能态概念,讨论了自然界存在负引力、负质量的可能性.然后论述负波速、负折射和负GH位移存在的物理基础及相互联系.进一步提出,现代物理学中的任一概念或参数均有为负(或反向)的可能,因而具有普遍性.在此基础上论证说,物理参数为正或为负的本身是自然界的对称性机制之一,对它的研究是探索客观规律的新途径.论述了有关现象的应用,例如对负引力、负能和负质量的综合研究可能引起航空器、航天器设计方法的革命.又如,对负波速、负的波折射和负GH位移的综合研究将造成对电磁波(包括光)的认识上的飞跃,并可使幻想中的隐身衣成为现实.研究工作也将推动技术发展,例如研究GH位移的意义之一是在近场光学显微术中的应用等.最后大胆地沦述说,虽然现实世界是正参数居统治地位而负参数是少数(或个别)现象,但或许存在另一个负参数世界,在其中正参数是少数(或个别)的行为.     

含色散特性的负折射材料的一维光子晶体偏振特性的研究

研究了一种含色散特性的负折射材料的一维光子晶体的缺陷模特性,分别研究了TE波和TM波的带隙结构,研究表明,两种模的带隙特性随入射角的变化而变化,高频部分的带隙变化很大,为色散特性的负折射材料在实际中的应用提供了理论指导.     

折射棱镜最小偏向角论证及其在光学仪器中的应用

折射棱镜是通过两个折射表面对光线的折射进行工作，入射光线入射到折射棱镜上，经两折射面的折射，出射光线和入射光线产生偏折，出射光线和入射光线的夹角δ称为偏向角．当折射棱镜折射角很小时，称之为光楔．在光学仪器中，光楔应用很多，最常用的是将两块相同的光楔组合在一起相对转动，用以产生不同的偏向角．在计量仪器中，某些测微目镜应用了双光楔系统，靠改变两光楔的相对位置，通过光楔的较大移动获得像点的微量位移，达到测微目的．     

BST负折射特性实验验证

对钛酸锶钡BaxSr（1-x）TiO3（0〈x〈1）（BST）柱阵列异向介质棱镜的负折射进行了实验验证．实验结果表明,该BST柱构成的三维异向介质的负折射特性不依赖于柱体的排列周期,而是BST柱自身的谐振造成了电磁波在该棱镜中的负折射．BST柱排列周期仅对二次负折射的强度产生影响．例如：周期阵列的BST柱异向介质棱镜的斜边是阶梯状时,因具有光栅结构,使得在该斜边上发生的二次负折射被增强;随机阵列的BST棱镜的斜边不具有光栅结构,观察到的二次负折射就比较弱．采用等效介质理论的仿真结果与我们的实验结果符合较好．     

基于渔网结构的人工电磁材料结构参数研究

提出了一种基于渔网结构的新型低损耗改进型渔网结构左手材料,研究了其传输特性和材料有效电磁参数,计算表明其具有较宽的负折射带宽和左手带宽(介电常数和磁导率同时为负),同时数值研究了提出的结构的几何参数变化对材料电磁参数的影响.结果表明在结构参数相当大范围内保持了材料的左手物理特性.     

十二重准晶中负折射的研究

周期性的光子晶体中存在电磁波的负折射现象.然而,这些研究主要集中在周期性结构中,对非周期结构的研究还没有相关的报道.研究从实验和理论两个方面证明了非周期性十二重准晶光子结构同样存在负折射,并且可以实现超透镜的远场成像.利用楔形结构来验证这些条件:在频率为11.82 GHz时,准周期光子晶体可以实现负折射,并且对应的有效折射率接近于-1.与周期性光子晶体相比准晶更接近于各向同性.