负折射率介质.ppt

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1、光学课件2009.4.2负折射率介质简介一、负折射的定义及性质二、负折射的电磁学解释三、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是俄国科学家Veselago在1968年提出的：当光波从具有正折射率的材料入射到具有负折射率材料的界面时，光波的折射与常规折射相反，入射波和折射波处于界面法线方向同一侧。直到本世纪初这种具有负折射率的材料才被制备出来。这种材料由金属线和非闭合金属环周期排列构成，也被称为metamaterial。在这种材料中，电场、磁场和波矢方向遵守“左手”法则，而非常规材料中的“右手”法则。因此，这种具有负折射率的材料也被称为左手材料，光波

2、在其中传播时，能流方向与波矢方向相反。英国科学家Pendry提出折射率为-1的一个平板材料可以作为透镜实现完美成像，可以放大衰势波使成像的大小突破光学衍射极限。负折射现象实验和超透镜提出时引起极大的争议，因为这些概念违反人们的直觉。1、什么是负折射率及左手性介质右手性介质（常规介质）——介质中电场、磁场和波矢三者构成右手关系，波的折射遵循斯涅尔（Snell）定律。左手性介质（负折射率介质）——介质中电场、磁场和波矢三者构成左手关系，波的折射不遵循斯涅尔（Snell）定律。斯涅尔定律斯涅尔定律：即折射定律，由荷兰数学家斯涅尔发现，是在光的折射现象中，确定折射光线方向的定律。当光由

3、第一媒质（折射率n1）射入第二媒质（折射率n2）时，在平滑界面上，部分光由第一媒质进入第二媒质后即发生折射。实验指出：（1）折射光线位于入射光线和界面法线所决定的平面内；（2）折射线和入射线分别在法线的两侧；（3）入射角i的正弦和折射角i′的正弦的比值，对折射率一定的两种媒质来说是一个常数.2、负折射率介质的异常传播性质3、逆多普勒效应4、在分界面上的边界条件5、负Goos-Hanchen位移6、逆切连科夫辐射3、为什么折射率可以是负的负折射率有两种情况：第一种是在几何光学中，将反射镜等效地看成一个折射率为-1的透射镜，这样，所有透射系统的成像公式就可以形式不变地应用到反射系

4、统了。然而，这种情况下只是数学形式上的等效，并不是折射率真的为负数。第二种情况是在所谓的“左手媒质”中。这是一种奇异的媒质，它的介电常量和磁导率都是负的，折射率也是负的。电磁学理论并不排除这种媒质的存在，而且实验上也观测到了这种媒质。关于它的电磁性质和光学性质已有专门的著作论述。对于“左手媒质”，折射定律仍然成立，这时入射角和折射角符号相反，说明折射光线和入射光线在法线的同侧（注意，这仍然是透射，并不是反射，因为光线进入了第二种媒质）。返回1、折射现象1、折射现象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两种不同折射率的介质交界面处时，波传播的方向会发生变化。2

5、、电介质理论1837年，法拉第最先提出电介质在电场中极化的概念．1850年，0．F．Mosotti提出了电介质极化理论方程：,式中M是分子量，是电介质密度，是空气分子平均极化率，是阿伏伽德罗常数．由于R．Clausius也曾导出此式，上式称为Clausius-Mosotti方程．它的适用范围是：非极性分子、低密度介质．推导时用许多导体圆球代表分子．1880年，H．A．Lorenntz和L．V．Lorenz用光学方法导出了一个包含折射率的公式，称为Lorentz-Lorenz方程．对比上式，，其应用范围仍为非极性分子对于极性分子的介质，1912年，德拜给出，式中u为电偶极矩，k为

6、玻尔兹曼常数，T为绝对温度．上式说明，静电场中总极化由诱导(变形)极化和取向极化两种作用组成．如分子u=0，德拜方程简化为Clausius-Mosotti方程．但如外场为交变电场，要考虑极性分子的弛豫时间的影响，这时该式改为可见，弛豫时间的影响是由取向极化率的改变而实现的．因此，对极性分子介质而言，只有(以及n)才与频率无关，才成立．总的讲，当频率f<100GHz时，的影响可不考虑，式保持正确．这就不难理解．近年来的负折射率研究是在微波段(10GHz以下)取得成功的原因．3、理论解释在一般条件下有。故有，这里的负号不能随便丢掉．在某种材料同时具有<0，<0时，上式右端可能应取负

7、值．接近透明媒质的折射率函数n(w)的实部通常是正值．D．R．Smith和N．Kroll分析了电流源向一维左手化媒质(LHM)辐射的情况(该媒质的介电常数和导磁率均为负)，对n(w)函数的深入分析，证明在某个频区Re[n(w)]实际上必须为负值．4、讨论1、负折射现象违反费马原理吗？2、电场能量密度为，磁场能量密度为。式中E、H分别为电场强度、磁场强度；如果，我们μ<0,ε<0,就得到负的和，亦即负电磁能量。ε、μ为负，是否带来了负能量？返回1、制备方法普通材料的折射率始终是正值。然而，在2