《电磁场与电磁波》课程教学资源（文献资料，光电）超材料_光子超材料的神奇世界.pdf

光机电信息第26卷第9用 OME Information vol.26 No.9 射率。在这种情况下，电场与磁场之间著名的右手标记。当单层制作完成后，利用了一类特殊的聚合法则变成了左手法则。因此，这些介质便以左手材体来保证下一步刻蚀过程中表面的平面度。原则上，料LHM或者负折射率材料(NIMs)而闻名。科利用此方法可以实现具有任意单元结构和空间排列学家已经在理论上证实了超材料可以用于实现亚波的任意层数的制作。图3给出了200um×200m 长成像、超透镜、理想透镜和隐身等。然而，早期 4层SRR结构，其中两两接触层之间旋转了90°角。的实验仅仅在微波范围内开展，科学家花了几年的在该堆叠结构中，电磁场的耦合是理解透射光谱的时间将此理论应用在光学波段内。这些纳米尺度的一个关键。电磁场的结合引起了分子物理中的能态超材料便被称为光子超材料。改变。 2光学频率内的磁场 3负折射率的光子超材料磁场一般与无线电波的联系较为紧密。然而传统的SRRs给出了在光频范围内实现磁场的将John Pendry提出的SRR结构尺寸缩小便可以实个很好的办法。为了激发SRR的磁场振荡，入射现可见光频率内的磁场。利用电子束纳米刻蚀技术光应该沿着平行于SRR平面的方向传播。这样才能可以制作纳米尺寸的SRR5.3个相连接的金属棒，实现磁场耦合到SRR结构中去，并引起感应电流，可以制作成U型结构的SRR结构，主要用作纳米感感应电流反过来又会产生一个相反方向的磁场。在应器，U型结构的两端间隙用作纳米电容器。纳米- 大多数光子的应用中，光束是平行于平面的。这意 LC电路主要用作LC振荡器，振荡频率在光学频率味着我们应该使SRR垂直于基平面，这样入射光束内。更为重要的是，此类振荡器的尺寸大约比真空可以激发SRR结构的磁场振荡。中此波长共振频率下的振荡器的尺寸小10倍。此类然而，传统的U型结构的SRR在制作及垂直方光学尺寸的亚波长结构的电磁性能可以利用有效介向上堆叠时存在困难。Purdue University的Vladimir 质近似方法来计算。虽然单层SRR结构可以很容易 halaey和他的合作者提出了一种解决方案。他们利在绝缘表面上制作，但由于对准误差要求较高，将用电子束刻蚀技术将传统的SRR修改成了耦合纳米此类结构堆叠起来却是一项很艰巨的任务。Harald 带结构，样品的几何形状第一次利用电子束在镀有 Giessen和他的课题组最近报导了在近红外波段范围 TO薄层的玻璃基底上实现了限定。然后，研究者内利用层叠技术来实现这一任务的新方法。考虑到利用标准电子束沉积来实现银和铝层的堆叠。利用电子束刻蚀的对准精度要求，在样品上制作了对准不同尺寸的耦合钠米结构，Purdue研究组可以制作能够实现整个可见波范围内的磁场响应的超材料。此种结构得到的“Rainbow magnetism”给出了可满足各种应用的可控光磁场的普遍的制作方法。虽然提合纳米带结构可以实现理短波长的磁场响应，但是它不能实现负折射率性能。为了实现光频率内的负折射现象，耦合纳米带结构需要和金属纳米线结构相结合。如果在耦合纳米带的平面内制作纳米线，该结构就和鱼网结构很相似。 Karlsmuhe University的Martin Wegener和他的同事报道了3层结构的“鱼网”超材料。利用标准电图34层堆叠结构的超材料(200mx200um 8www.omeinfo.com.cn Publishing House.eserved.h.nke

Sep. 2009 www.omeinfo.com.cn 射率。在这种情况下，电场与磁场之间著名的右手法则变成了左手法则。因此，这些介质便以左手材料 (LHMs) 或者负折射率材料 (NIMs) 而闻名。科学家已经在理论上证实了超材料可以用于实现亚波长成像、超透镜、理想透镜和隐身等。然而，早期的实验仅仅在微波范围内开展，科学家花了几年的时间将此理论应用在光学波段内。这些纳米尺度的超材料便被称为光子超材料。 2 光学频率内的磁场磁场一般与无线电波的联系较为紧密。然而，将 John Pendry 提出的 SRR 结构尺寸缩小便可以实现可见光频率内的磁场。利用电子束纳米刻蚀技术可以制作纳米尺寸的 SRRs。 3 个相连接的金属棒，可以制作成 U 型结构的 SRR 结构，主要用作纳米感应器， U 型结构的两端间隙用作纳米电容器。纳米- LC 电路主要用作 LC 振荡器，振荡频率在光学频率内。更为重要的是，此类振荡器的尺寸大约比真空中此波长共振频率下的振荡器的尺寸小 10 倍。此类光学尺寸的亚波长结构的电磁性能可以利用有效介质近似方法来计算。虽然单层 SRR 结构可以很容易在绝缘表面上制作，但由于对准误差要求较高，将此类结构堆叠起来却是一项很艰巨的任务。 Harald Giessen 和他的课题组最近报导了在近红外波段范围内利用层叠技术来实现这一任务的新方法。考虑到电子束刻蚀的对准精度要求，在样品上制作了对准标记。当单层制作完成后，利用了一类特殊的聚合体来保证下一步刻蚀过程中表面的平面度。原则上，利用此方法可以实现具有任意单元结构和空间排列的任意层数的制作。图 3 给出了 200 μm× 200 μm 4 层 SRR 结构，其中两两接触层之间旋转了 90°角。在该堆叠结构中，电磁场的耦合是理解透射光谱的一个关键。电磁场的结合引起了分子物理中的能态改变。 3 负折射率的光子超材料传统的 SRRs 给出了在光频范围内实现磁场的一个很好的办法。为了激发 SRR 的磁场振荡，入射光应该沿着平行于 SRR 平面的方向传播。这样才能实现磁场耦合到 SRR 结构中去，并引起感应电流，感应电流反过来又会产生一个相反方向的磁场。在大多数光子的应用中，光束是平行于平面的。这意味着我们应该使 SRR 垂直于基平面，这样入射光束可以激发 SRR 结构的磁场振荡。然而，传统的 U 型结构的 SRR 在制作及垂直方向上堆叠时存在困难。 Purdue University 的 Vladimir Shalaev 和他的合作者提出了一种解决方案。他们利用电子束刻蚀技术将传统的 SRR 修改成了耦合纳米带结构，样品的几何形状第一次利用电子束在镀有 ITO 薄层的玻璃基底上实现了限定。然后，研究者利用标准电子束沉积来实现银和铝层的堆叠。利用不同尺寸的耦合纳米结构， Purdue 研究组可以制作能够实现整个可见波范围内的磁场响应的超材料。此种结构得到的 “Rainbow magnetism” 给出了可满足各种应用的可控光磁场的普遍的制作方法。虽然耦合纳米带结构可以实现更短波长的磁场响应，但是它不能实现负折射率性能。为了实现光频率内的负折射现象，耦合纳米带结构需要和金属纳米线结构相结合。如果在耦合纳米带的平面内制作纳米线，该结构就和鱼网结构很相似。 Karlsruhe University 的 Martin Wegener 和他的同事报道了 3 层结构的 “鱼网” 超材料。利用标准电图 3 4 层堆叠结构的超材料 (200 μm× 200 μm) 1 μm WD=5 mm Mag=10.00 kx FIB mag=2.00 KX EHT=20.00 kV Signal A=SE2 FIB lock mage=No 光机电信息 OME Information 第26卷第9期 vol.26 No.9 8

第26卷第9期光机电信息 vol.26 No.9 子束刻蚀和剥离工艺实现了银基底层的制作。堆叠方向的阵列常数远远小于光的波长。这样，有效介质近似方法就可以适用于此结构。虽然纳米线和纳米带的结合能够制作出电导料和磁导率均为负值的材料，但是这并不一定能保介质的折射率为负值。超材料的复折射率只能用反射率和透射率特性的恢复方法来进行数值计算。利用这些数值计算方法，研究人员给出了介质在1410m 图5银纳米线结构超材料：左：由空气入射到银钠米到的折射率为-2.2。结构的负折射示意图右：在铝恭底上的纳米线的 Berkeley的California州立大学的X.Zhang的研 SEM照片。究组提高了鱼眼结构的堆叠技术和测量技术。他们明了在短波长处的正折射率在长波长处变为负值。报道了在多层金属电介质堆上利用聚焦离子束制作在1475m,折射率趋于0，该波长光束通过超材 10层鱼眼结构的超材料的方法。此方法可以制作高料时不会获得任何相位信息。占空比的纳米级的结构。多层鱼眼结构通过在21层在一篇相关文章里，伯克利研究小组还研究了银和氟化镁交替制作的10层功能性结构上实现。基于金属光子品体的超材料的负折射现象，该材料由镶嵌于铝基底的银纳米线组成。图5中右图给出了由空气入射到银纳米线超材料的负折射示意图和 SEM照片。研究人员通过利用半导体激光在不同入射角的入射来研究该样品的性能通过扫措底面来实现诱射光的成像，招材料的 TM和TE光的群折射率分别为-4.0和22。此类材图4鱼眼材料：10层结构的光子超结构示意图和SEM照片料的相位折射率一直保持不变，这与左手材料性质利用多层网眼结构方法制作了纳米棱镜，然后相反。垂直入射时，780m波长的光密度的衰减速测量该平面超材料的折射率。研究者们采取了测量度为43%/μm,这与可见光波段的左手材料的损失由Scl定律决定的折射角的方法来取代传统的数气因子相比提高了好几个量级。追迹方法来研究折射率的大小。因为折射角仅仅与布拉格散射是金属光子晶体产生负折射现象的光束经过的出射面的相位有关，所以该方法提供了主要物理原因。与左手材料相比，这些结构有相对小的损失和相对宽的波带范围和入射角度。与介电一种直接但不精确的折射率计算方法。 UC伯克利实验小组利用可调光源实现了在不材料光子晶体相似，金属光子晶体超材料可以实现同波长处折射率的测定。将光束聚焦到样品上并在傅在空气中或介电介质中会出现消逝的大波矢波的传里叶平面上放置CCD探测器，通过对1200-1775nm 播，从而使得可见波可以实现亚波长分辨。该性能范围内不同波长的光经过棱镜后发生的偏折来确定可以在诸如波导、成像和光通讯等很多领域具有广不同波长处的折射率。测定结果表明，折射率从泛应用。 1200nm的n=0.63到1775nm的n=-1.23之间变 4各向异性光子超材料化。随着波长的增加，折射率从正值变为负值，表上文讨论过，经常采用诸如电子束影印、聚焦 www.omeinfo.com.cn9 21994-2015 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved. hutp:p-00g

Sep. 2009 www.omeinfo.com.cn a b Ag p MgF2 1 μm 图4 鱼眼材料： 10层结构的光子超结构示意图和SEM照片子束刻蚀和剥离工艺实现了银基底层的制作。堆叠方向的阵列常数远远小于光的波长。这样，有效介质近似方法就可以适用于此结构。虽然纳米线和纳米带的结合能够制作出电导率和磁导率均为负值的材料，但是这并不一定能保证介质的折射率为负值。超材料的复折射率只能用反射率和透射率特性的恢复方法来进行数值计算。利用这些数值计算方法，研究人员给出了介质在 1 410 nm 的折射率为-2.2。 Berkeley 的 California 州立大学的 X. Zhang 的研究组提高了鱼眼结构的堆叠技术和测量技术。他们报道了在多层金属电介质堆上利用聚焦离子束制作 10 层鱼眼结构的超材料的方法。此方法可以制作高占空比的纳米级的结构。多层鱼眼结构通过在 21 层银和氟化镁交替制作的 10 层功能性结构上实现。利用多层网眼结构方法制作了纳米棱镜，然后测量该平面超材料的折射率。研究者们采取了测量由 Snell 定律决定的折射角的方法来取代传统的数字追迹方法来研究折射率的大小。因为折射角仅仅与光束经过的出射面的相位有关，所以该方法提供了一种直接但不精确的折射率计算方法。 UC 伯克利实验小组利用可调光源实现了在不同波长处折射率的测定。将光束聚焦到样品上并在傅里叶平面上放置 CCD 探测器，通过对 1 200~1 775 nm 范围内不同波长的光经过棱镜后发生的偏折来确定不同波长处的折射率。测定结果表明，折射率从 1 200 nm 的 n=0.63 到 1 775 nm 的 n=-1.23 之间变化。随着波长的增加，折射率从正值变为负值，表明了在短波长处的正折射率在长波长处变为负值。在 1 475 nm，折射率趋于 0，该波长光束通过超材料时不会获得任何相位信息。在一篇相关文章里，伯克利研究小组还研究了基于金属光子晶体的超材料的负折射现象，该材料由镶嵌于铝基底的银纳米线组成。图 5 中右图给出了由空气入射到银纳米线超材料的负折射示意图和 SEM 照片。研究人员通过利用半导体激光在不同入射角的入射来研究该样品的性能。通过扫描底面来实现透射光的成像，超材料的 TM 和 TE 光的群折射率分别为-4.0 和 2.2。此类材料的相位折射率一直保持不变，这与左手材料性质相反。垂直入射时， 780 nm 波长的光密度的衰减速度为 43%/μm，这与可见光波段的左手材料的损失因子相比提高了好几个量级。布拉格散射是金属光子晶体产生负折射现象的主要物理原因。与左手材料相比，这些结构有相对小的损失和相对宽的波带范围和入射角度。与介电材料光子晶体相似，金属光子晶体超材料可以实现在空气中或介电介质中会出现消逝的大波矢波的传播，从而使得可见波可以实现亚波长分辨。该性能可以在诸如波导、成像和光通讯等很多领域具有广泛应用。 4 各向异性光子超材料上文讨论过，经常采用诸如电子束影印、聚焦图 5 银纳米线结构超材料：左：由空气入射到银纳米线结构的负折射示意图；右：在铝基底上的纳米线的 SEM 照片。 Al2O3/Ag Metamaterial d OME Information 第26卷第9期光机电信息 vol.26 No.9 9

光机电信息第26卷第9用 OME Information vol.26 No.9 离子束刻蚀和金属膜蒸发等二维制造技术来实现光的可行性。然而，该结构的双各向异性折射率为正子超材料的制作。除去hag报道的10层鱼眼结构值，因此，需要设计一个合理的DLW方法来实现外，目前报道的结构都是由很少层构成的。然而更好的设计。目前见于报道的光子超材料无一不显示出在一定传在一篇最近的文献里，Costas Soukoulis和他的播方向上的负折射率现象，使得它们成为一维方向同事给出了此问题的一个有效的解决方案。他们在上的超材料。另一方面，我们需要利用低吸收和高理论上分析并首次验证了体NIM设计，此设计可以透过率的各向异性的二维和三维体结构超材料实现在通讯波段内利用DLW来实现制作。设计图中给它在光子超材料方面潜在的应用。微光直写DLW门出了二维光子超材料由两对SRRs组成。折射率为在制作三维大尺寸光子超材料方面有很大潜力。负值时，磁导幸和电导率同时为负值。超材料的丁 Kadsn山h。大学的研究小组最折证实了结合银化学蒸作频率在150THz附近且带宽约为20。设计的该结镀的方法在近红外范围内的可行性。构具有二维各向异性，这就是说，它在两个方向上该样品经过10次化学蒸镀工艺，实现银的厚度特定的偏振下具有负折射率。结合这个新颗的理论大约为50m,图6给出了利用此方法实现的电子结构，DLW和银CVD技术可以用来解决光子超材显微照片。与二维蒸镀工艺最大的区别是，该结构料的瓶颈问题。在三维方向上是单一的。膜层在一定程度上呈现颗粒性，但整体是相连的。这一关键特性由银膜层呈 5光学频率范围内的隐身现好的DC导电性、在I~4mm范围内的反射率早期的实验已经表明，可以在目标物体周围设 R>95%所证实。计超材料，这样，入射波可以在该物体的另一段重研究人员利用恢复方法来测定DLW方法制作组。因此，超材料就可以使得该物体对外不可见的超材料的电磁特性。磁导率在100THz处为负值然而，在微波波段的该设计不能在光学波段实现」这表明了利用DLW和银CVD方法来实现磁超材料光学波段隐身顾名思义就是不可见的意思，因此有着广泛的研究。为了实现光学频率下的隐身 Vladimir Shalaev提出了一种新型的非磁性隐身，它是由与圆柱体内外交叉面相垂直的线组成的。纳米线的空间位置不必是周期性的。该设计的非磁性的本质降低了空间制作三维超材料的难度，因此，为可见波段的隐身装置开辟了新的道路。预期可以利用其他的例如利用金属纳米颗粒串或者连续的或半连续金属线结构来实现隐身的设计和制作。可以采用相对于波长而不是波段范围的设计包括红外和微波范围内的。然而，实现的可见光的隐身结构并不理想，这是由于阻抗不匹配，从而降低了材料特性和增大了不可避免的损耗所造成的金属结构下的光学损耗一直以来就被认为是光子超图6激光直写制作超材料：上：利用激光直写实现的超材料的一个很大的制约条件。为了实现低损耗的光结构的电子显微照片：下：激光束沉积工艺生长的子超材料，我们需要进一步研究。利用有源介质可光子品体，该结构在两个方向上呈现负折射率。 10www.omeinfo.com.cn

Sep. 2009 www.omeinfo.com.cn 离子束刻蚀和金属膜蒸发等二维制造技术来实现光子超材料的制作。除去 Zhang 报道的 10 层鱼眼结构外，目前报道的结构都是由很少层构成的。然而，目前见于报道的光子超材料无一不显示出在一定传播方向上的负折射率现象，使得它们成为一维方向上的超材料。另一方面，我们需要利用低吸收和高透过率的各向异性的二维和三维体结构超材料实现它在光子超材料方面潜在的应用。激光直写 (DLW) 在制作三维大尺寸光子超材料方面有很大潜力。 Karlsruhe 大学的研究小组最近证实了结合银化学蒸镀的方法在近红外范围内的可行性。该样品经过 10 次化学蒸镀工艺，实现银的厚度大约为 50 nm，图 6 给出了利用此方法实现的电子显微照片。与二维蒸镀工艺最大的区别是，该结构在三维方向上是单一的。膜层在一定程度上呈现颗粒性，但整体是相连的。这一关键特性由银膜层呈现好的 DC 导电性、在 1~4 mm 范围内的反射率 R> 95% 所证实。研究人员利用恢复方法来测定 DLW 方法制作的超材料的电磁特性。磁导率在 100 THz 处为负值，这表明了利用 DLW 和银 CVD 方法来实现磁超材料的可行性。然而，该结构的双各向异性折射率为正值，因此，需要设计一个合理的 DLW 方法来实现更好的设计。在一篇最近的文献里， Costas Soukoulis 和他的同事给出了此问题的一个有效的解决方案。他们在理论上分析并首次验证了体 NIM 设计，此设计可以在通讯波段内利用 DLW 来实现制作。设计图中给出了二维光子超材料由两对 SRRs 组成。折射率为负值时，磁导率和电导率同时为负值。超材料的工作频率在 150 THz 附近且带宽约为 20。设计的该结构具有二维各向异性，这就是说，它在两个方向上特定的偏振下具有负折射率。结合这个新颖的理论结构， DLW 和银 CVD 技术可以用来解决光子超材料的瓶颈问题。 5 光学频率范围内的隐身早期的实验已经表明，可以在目标物体周围设计超材料，这样，入射波可以在该物体的另一段重组。因此，超材料就可以使得该物体对外不可见。然而，在微波波段的该设计不能在光学波段实现。光学波段隐身顾名思义就是不可见的意思，因此有着广泛的研究。为了实现光学频率下的隐身， Vladimir Shalaev 提出了一种新型的非磁性隐身，它是由与圆柱体内外交叉面相垂直的线组成的。纳米线的空间位置不必是周期性的。该设计的非磁性的本质降低了空间制作三维超材料的难度，因此，为可见波段的隐身装置开辟了新的道路。预期可以利用其他的例如利用金属纳米颗粒串或者连续的或半连续金属线结构来实现隐身的设计和制作。可以采用相对于波长而不是波段范围的设计，包括红外和微波范围内的。然而，实现的可见光的隐身结构并不理想，这是由于阻抗不匹配，从而降低了材料特性和增大了不可避免的损耗所造成的。金属结构下的光学损耗一直以来就被认为是光子超材料的一个很大的制约条件。为了实现低损耗的光子超材料，我们需要进一步研究。利用有源介质可图6 激光直写制作超材料：上：利用激光直写实现的超结构的电子显微照片；下：激光束沉积工艺生长的光子晶体，该结构在两个方向上呈现负折射率。 1 μm 1 μm K E H 光机电信息 OME Information 第26卷第9期 vol.26 No.9 10