《左手材料简介》PPT课件.ppt

左手材料,北京赛德创生物技术有限公司,一、左手材料概念,1、左手材料概念的提出左手材料就是介电常数0、磁导率0的材料，是一种人工制备的亚观材料，在自然界中不存在天然的这类材料.命名缘由：当平面电磁波在和同时为负值的材料中传播时，电磁波的电场矢量E、磁场矢量H和波矢量k之间服从左手螺旋定则，因此将这类材料命名为左手材料（LHMs），相应把遵循右手螺旋定则的材料命名为右手材料（right-handed materials，RHMs）。如果媒质的介电常数和磁导率均为负数的话(左手材料),媒质因具有负折射率而会表现出很多奇特的性质,如反多普勒效应、反Snell定律、反切伦柯夫辐射。1996年，Pendry等首次制备出这个亚观的左手材料。,宏观理解左、右手材料,2、理论分析在第一象限中,0,0,自然界中的绝大部分材料均处于这一象限.有少部分材料在某些状态下会处于第二象限(0),如等离子体及位于特定频段的部分金属.当0时,折射率n=为虚数.这意味着在这种材料中电磁波只能是消逝波(evanescent waves),因电磁波只能在折射率为实数的材料中传播.,处于第四象限中的材料,其0,0,因而折射率也为虚数.电磁波入射到处于第四象限中的材料的行为与入射到第二象限中的材料的行为相似。第三象限中的材料,其0,0,因而折射率n也为实数.但与第一象限中材料的电磁波传播性质完全不同.在第三象限的材料中,电磁波的波矢和能流方向是反平行的,也就是说电磁波的群速和相速是反平行的.在0,0,MAXWELL方程仍然允许电磁波在材料中传播,但此时材料的折射率n却必须取负值。,总之,电磁波只能在折射率为实数的材料中传播.若和中只有一个为负值，则折射率为虚数,电磁波在材料中将由于只存在消逝波解而不能传播.若材料的和均小于零时,电磁波在材料中是可以传播的,但材料的折射率必须取负值,且电磁波的群速和相速反平行.,电磁波在(a)右手材料(b)左手材料中之电场、磁场、波向量与能量流密度方向之间的向量关系,二、左手材料的样品制备,2.1微波段左手材料的制备 1996至1999年，英国帝国理工学院的J.B.Pendry等人相继提出理论模型，可以采用周期性排列的金属直导线（wires）和开口谐振环（split ring resonators，SRRs）来分别实现材料的负介电常数和负磁导率。在印刷电路版材料(FR4 fiberglass,0.25mm thick环氧玻璃纤维介质基板，介电常数4.65)上，使用集成电路工艺（印刷版刻蚀技术）制造出左手材料条带.条带上的铜层厚度为0.03mm,条带上的铜导线和SRR粘印刷电路版材料的不同面上,并且在条带上开出小槽.将这些左手材料条带沿小槽组装起来,即可得到图二所示的二维左手材料。,左手材料结构单元,一维左手材料和二维左手材料,2.2红外、可见光波段左手材料,采用微结构单元替代磁性材料中的原子和分子可实现高频磁响应。Yen等采用光刻蚀技术（photoproliferated process）加工制备了结构单元为30m左右的铜SRRs阵列，制备的不同系列的SRRs样品的几何参数为：线宽4m或6m，内外环间距2m或3m，外环边长分别为26m，32m，36m，晶格常数分别为36m，44m，50m。SRRs的材质为铜，厚度为3m，其基板为400m微米厚的石英。,THz磁响应样品示意图,100THz单谐振环磁响应样品,2.3光子晶体实现左手材料,理论研究表明银纳米线光子晶体可实现近红外波段的负折射效应，Berrier利用化学辅助离子束刻蚀技术在低折射率的InP基底中打出了半径125nm，晶格常数为480nm的空气柱光子晶体，首次实现了光子晶体红外波段（1480nm）的负折射平板聚焦。Shuang Zhang等人还在玻璃基板的两面60nm厚的AL2O3的电解质层上沉积30nm厚的Au，然后在上面打直径为360nm，周期为838nm的洞，在2m实现了负折射率。,Berrier实验中的光子晶体成像,Shuang Zhang实验样品图,三、左手材料的性质,Veselago的理论研究表明，左手材料具有如下奇特性质。3.1负折射率效应由n1sin1=n2sin2可知：（a）n10,n20时，20，即入射光线位于介面法线的两侧；（b）n10,n20时，20，那么入射光线与折射光线位于介面法线的同侧。,2、反多普勒效应若光源发出频率0 的光,而侦测器以速度v 接近光源时,在一般介质之中侦测器所接收到的电磁波频率将比0 高,而在左手材料中,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,则会收到比0低的频率,反之则会升高,从而出现反多普勒效应。,3、左手材料的二次汇聚作用一个点光源,若放置在左手材料薄板前,该点光源在左手材料内会汇聚成像一次;并且在左手材料薄板的另一侧,该点光源也会汇聚成像一次.下面图示是就传播波(propagating waves),即远场(the far field)而言的。,Pendry对左手材料的二次汇聚现象作了进一步的研究,发现左手材料薄板对消逝波,即近场,也有汇聚作用。这是一个惊人的理论成果.因为:传统的用右手材料制成的透镜只能汇聚远场的电磁波分量(即传播波),而近场的电磁波分量(即消逝波)因按指数规律衰减而不能参与成像。故传统透镜的分辨率受制于电磁波波长,即最大分辨率。,完美透镜对近场的汇聚作用,从图1.5中可以看到:(a)近场在光源至左手材料薄板的一侧这段路程是按指数规律衰减的;(b)近场在左手材料薄板中被放大;(c)在左手材料薄板的另一侧至成像点这段路程,近场又是按指数规律衰减的.左手材料对近场的放大作用是靠其表面等离子极化波.因此,用左手材料制成的透镜其分辨率不受制于电磁波波长,Pendry称其为完美透镜(perfect lens).,4、完美透镜效应,对于普通的光学透镜来说，由于倏逝波成分所携带的物体信息被丢掉了，所以普通的光学透镜的分辨率总有一个可以和波长相比拟的极限。而左手材料透镜将不会丢失这些信息。左手材料透镜可以将所有能量，完全复制到像点。因为在和全为负值的时候，能流的方向和波矢方向总是相反的，因此常规材料中的衰减场进入左手材料后会变为增强场，常规材料中的增强场进入左手材料后会变为衰减场。指数衰减的倏逝场进入透镜左端面后将变为指数增强场，左手材料平板可对常规材料中的倏逝场进行放大。从而使携带物体更微观细节信息的倏逝场参与了成像。“放大过”的倏逝场经过透镜右端面后重新变为衰减场，最后在像平面上恢复到原来的光场值。,相对于普通透镜，左手材料平板透镜没有固定光轴，不受傍轴条件限制，且成正立、等大实像，最重要的是不仅能够捕获光场的传播波成分，而且能够捕获倏逝波成分，光场的所有成分都无损失地参与了成像，突破了衍射极限。因而左手材料平板透镜被称为“完美透镜（Perfect Lens）”,完美透镜,5、反常Goos-Hnchen位移所谓的Goos-Hnchen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。光波s分量和p分量的Goos-Hnchen位移大小为,古斯汉斯位移,因而，Goos-Hnchen位移大小仅与两种介质的相对折射率n21及入射光波方向1有关。引起Goos-Hnchen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，称为反常Goos-Hnchen位移,四、左手材料的应用,1、微波段左手材料在无线通讯领域将有很大的应用前景。可用作延迟线、耦合器、天线收发转换开关、固态天线、滤波器、光导航、微波聚焦器等。微波左手材料还可广泛应用于微波器件。如微波平板聚焦透镜、带通滤波器、调制器、卫星反向天线、基于传输线左手材料的前向波方向耦合器、宽带相移器等。另外，反常Cherenkov辐射效应可用于探测高能带电粒子。左手材料还可以制作便宜而性能好的磁共振成像设备。手机辐射有望解决目前利用左手材料的性质，已经可以通过人造结构来控制电磁波传播方向，制成定向天线，可以使它只向基站方向发射信号，并通过相关技术阻止信号向人脑方向的传播。隐身材料的实现 左手材料制造的兵器可能将光线或雷达波反向散射出去，使得从正面接收不到反射的光线或微波，从而实现隐身。,2、可见光波段左手材料的实现将有革命性的前景。左手材料能够突破该衍射极限，可应用于超灵敏单分子探测器，用于探测微量污染、极微量具有危险性的生物化学药剂、以及血液中标症早期疾病的蛋白质分子和医学领域诊断成像等。利用其负折射和倏逝波放大特性，可以用其制作集成光路里的光引导元件，有望制作出分辨率比常规光学透镜高几百倍的扁平光学透镜。左手材料也有望解决高密度近场光存储遇到的光学分辨率极限问题，可能制作出存储能量比现有DVD高几个数量级的新型光学存储系统。,3、左手材料纳米天线纳米天线是由纳米金属线和圆环组成，具有等离子体效应，能对光子进行直接操纵，引导光无损耗的绕过拐角，由光子取代电子来完成电子线路的基本功能。因为纳米天线可用于制造新颖光子器件，如带通滤波器、调制器、固态天线和体积小、速度快的芯片和电子计算机。红外波段磁响应的实现可应用于生物安全成像、生物分子指纹识别、遥感、可视度极底的天气下的导航、微型谐振腔、可调透镜、隔离器等。,五、左手材料的实验,5.1实验装置左手材料的透射实验、折射实验、和表面等离子极化波实验都是在二维散射室(2D scattering chamber)中进行.该散射室上、下盖板是两块平行的金属铝板,间距为0.4 inches.因为频率f15GHz的微波的半波长要大于两块平行的金属铝板的间距,因此金属边界条件迫使微波的电场E平行于铜导线.微波吸收材料置于散射室的四周,它一方面能确保样品区的微波可以用平面波展开,另一方面能尽量减少来自散射室边缘的反射波.散射室的两端连接着微波发生器和接收器及相关分析装置.,左手材料光学实验装置,5.2透射实验,透射实验所用材料透射实验所用的左手材料为15 cm 2(3030个单胞,晶格常数a=5mm),见下图。图a中的c=0.25mm,d=0.30mm,g=0.46mm,.w=2.62mm图b中的铜导线长度为10mm 宽度为0.25mm,印刷电路版材料厚度为0.25mm.。印刷电路版材料上的铜层厚度为0.03mm。,图一LHM和SRRs的数值计算结果,图二LHM透射功率的实验结果,图三LHM和SRRs透射功率的实验结果,图四转移矩阵法得到的LHM和SRRs透射功率,透射实验结果分析,从图一可以看到:就SRR的色散关系而言,在频率之间存在一个禁带(位于图中两条虚线之间),这意味着在这个频率段eff为负数.而左手材料(LHM)的色散关系表明:在频率之间出现了一个导带,如图中的实线所示.从该实线可以推导出电磁波的群速度v g0,因为v g=d/dk0.,从图二可以看到:左手材料的透射功率沿10,11,01三个方向并不完全重合,这意味着上述LHM并不是各向同性的(isotropic)。原因在于上述左手材料在组装时存在一些误差,而SRR的共振频率对材料参数的微小变化极端敏感。比较图一和图二,可以发现在频率之间出现了透射功率,且数值仿真结果和透射实验数据吻合较好。用转移矩阵法计算得到的LHM和SRRs透射功率如图四所示.比较图三和图四,可以看到:理论计算结果与实验数据吻合较好.这4个图说明在频率之间,按上述方法所制备的材料的确为左手材料(LHM).,5.3折射实验,左手材料与透射实验所用的左手材料相同,只是在组装方面有些折射实验所用的不同,如图1所示.实验装置在透射实验基础上作了些改动,如图2所示.图中的黑色箭头代表微波束;样品和微波吸收材料置于上、下两块平行的圆形金属铝板之间,间距为1.2cm,圆形金属铝板的半径为18cm.探测器可以沿着圆弧移动,以测量沿不同方向的透射功率.结果实验如下图3所示.图3的实验所使用的微波频率为10.5GHz.因为Telfon的折射率nTelfon=1.40.1,因此可以预计在=27o应该出现透射峰,实验数据与理论计算值相符.而左手材料在,这意味着左手材料的折射率nTelfon=-2.70.1。,图1折射实验所用的楔型材料,图2折射实验装置,图3左手材料折射实验结果,5.4表面等离子极化波实验,表面等离子极化波实验装置如图1 所示。在图1 中,如果没有左手材料样品(sample),那么当入射角critical时,光束将全部被反射(total internal reflection,TIR).有了与三棱镜(三棱镜的折色率n=1.63)平行的左手材料样品(sample),且样品与三棱镜之间的距离足够近。那么当入射角critical时，入射光束将激发左手材料样品的表面等离子极化波,因此左手材料样品会吸收入射光束一定频率段的一些能量.因为:在critical时，垂直于三棱镜和样品介面的波矢是虚值,而平行于该介面的波矢是实值(这对应于消逝波,evanescent waves).这个消逝波会激发左手材料样品的表面等离子极化波.因此,入射光束的一部分能量会消耗在激发过程中,反射功率谱将会在一定频率段出现一些局部的极小值.,图1表面等离子极化波的实验装置,表面等离子极化波的实验数据和理论计算结果见如图2和图3,图中的数据只选取=40o,45o,50o.从图2 和图3可以看到:在频率8-12GHz之间，表面等离子极化波的实验数据和理论计算结果并不一致.这是因为:如前所述,所制备的材料仅在频率10.1-11GHz之间才是左手材料,因此Shelby将微波频率锁定在10.1-11GHz之间,并改变的大小,重新做了一系列实验.=38o,40o,42o,45o,50o,550的实验数据如下图4(a)所示。图4(a)中的小图中的黑点对应着不同入射角、不同频率条件下,反射功率谱中出现局部极小值的位置.将这个小图中的入射角()-频率()关系换算成横向波矢(k)-频率()关系,即可得到图4(b).图4(b)中的实线为理论计算结果,圆点为实验测量数据,水平虚线为磁导率()1o,此时须考虑微波材料的吸收.因此,量到的在=38o时的反射功率与计算结果不吻合,也就是情理之中的事情了.,图2表面等离子极化波的实验结果,表面等离子极化波的实验,图3表面等离子极化波的理论计算结果,图4a表面等离子极化波的实验数据,图4b表面等离子计划波实验数据与理论计算结果的比较,谢谢！,