负折射材料的光学特性研究课件

负折射材料的光学特性研究此处略去姓名论文的主要工作1.光在负折射率介质中的反常折射2.负折射材料的发展与应用3.含负折射材料一维光子晶体的能带特性负折射材料的概念

负折射材料是指媒质的介电常数和磁导率同时为负，此时折射率

也为负的介质。

当光从普通介质入射到负折射率介质时，根据

将会出现负的折射角，即入射光线和折射光线在法线的同侧。

负折射材料的非寻常折射

正折射材料负折射材料

棱镜的折射

负折射材料正折射材料

负折射材料透镜的折射

负折射材料负折射材料平板的折射

负折射材料制作的平板将点源0发出的射线聚焦在其对称点O’上，具有成像功能。Snell定律考虑到负折射率，可以将折射定律改写为

折射角与入射角均取正值，P1,P2，代表介质的旋向，旋向相同时，其比值为1，旋向不同时，其比值为-1。

负折射材料的发展

发展简述

1968年，前苏联物理学家Veselago发表了他在理论研究中对物质电磁学性质的新发现，即当介电常数和磁导率都为负值时，电场矢量、磁场矢量和波矢量之间构成左手关系，并称这种假想的物质为左手材料。

2001年，美国加州大学圣地亚哥分校的DavidSmith等物理学家根据Pendry等人的建议，利用以铜为主的复合材料首次在微波段制造出一维的负折射率材料。美国Shelby等人制备出了二维负折射率材料。

2002年7月，瑞士ETHZ实验室的科学家们宣布制造出三维的负折射率材料。负折射材料的应用负折射材料在雷达天线、通信器件、军事隐身技术中都有应用

图为美国杜克大学电子与计算机工程系D．R．Smith教授等人和英国帝国学院物理系Pendry教授等人合作，基于人工电磁材料在微波频段设计的一个二维电磁波传播路径图，圆环内的部分代表负折射率材料，实线代表波的传播，可以看出，电磁波在材料内部发生了弯曲，从整个大圆压缩到圆环内，在中间形成一个没有波传播的“空洞”。人之所以能看见物体，是因为该物体阻挡了光线，并将其反射至人眼；雷达则是利用发射电磁波遇到物体反射回来，形成一个可以探测到的影子。而电磁波或光波对于负折射率材料覆盖的空间既没有波的折射，也没有散射，而是绕过“空洞”传播，如果将物体放在洞中，因为没有波触及物体，也就没有携带关于物体信息的波被反射回来，因此人或雷达等也就不可能发现物体，从而使物体产生了视觉隐身。光子晶体简介光子晶体是折射率在空间周期性变化的介电结构，光子晶体最重要的特性是带隙特性，即频率在一定范围内的入射光在光子晶体中禁止传播。光子晶体根据其空间的周期性分布可分为一维、二维、三维光子晶体。

含负折射率材料一维光子晶体能带研究

构成一维光子晶体的周期结构可以表示如下：根据布洛赫波理论，可以得到一维光子晶体的色散关系

K为布洛赫波矢沿z向分量的振幅，为归一化频率为折射角根据以上公式，可以得到光束入射到光子晶体中的色散关系，即能带结构。能带随入射角的变化特征取n0=n1=1,n2=2.4,t1=0.85,t2=0.15,a=1改变

能带随入射角的变化特征

仅改变n2=-2.4

通过比较可以发现，含负折射材料的光子晶体与正折射材料的光子晶体相比，具有更宽的禁带，更窄的允许带，禁带的中心频率和宽度对入射角的变化不敏感。能带随折射率的变化特征取n0=1,n2=2.4,t1=0.85,t2=0.15,a=1改变n1n1=1n1=3比较可知，正折射率光子晶体的禁带随折射率的变化非常大，随着n1由1增加到3，禁带的频率宽度迅速减小。能带随光学厚度的变化特征取n0=n1=1，n2=2.4，改变a=1为a=4，t1，t2依比例变为3.4，0.6n2=2.4n2=-2.4

正负折射率交替结构的光子晶体中，电磁波的禁带随光学厚度的变化十分明显，禁带的频率宽度随光学厚度的增加而迅速减小，但允许带的频率宽度则变化很小。正折射率光子晶体的禁带也随光学厚度有较大的变化，禁带的频率宽度也随光学厚度的增加而减小，但是不如折射率正负交替结构的光子晶体那样剧烈。

结论

利用一维光子晶体的色散关系，研究了在正负折射率交替结构的光子晶体的能带随入射角、随折射率、随光学厚度的变化特征，并与普通正折射率光子晶体能带的对应特征作了比较。

得出：正负交替结构的光子晶体禁带非常宽，允许带非常窄，禁带的中心频率和宽度对入射角的变化不敏感。在正负折射率交替结构的光子晶体中，电磁波的禁带随折射率n的变化较小，这说明不管正折射率材料选用何种折射率的介质时，都能得到频率宽度较大的禁带。禁带随光学厚度的变化十分明显，