D010.1362. ,2533.26.03.B6 006年5月 西安邮电学院学报 Ma.2006 第11卷第3期 IOURNAL OF XT AN UNIVERSITY OF POST AND TELECOMMUNICATIONS Vol I No 3 左手材料的奇异特性 田秀劳 (西安邮电学院应用数理系，陕西西安710061) 摘要左手材料是指种介电常数：和磁导率：同时为负值的材林.近儿年在实验上取得了突破性的进展尤其是 在003年被美国的科学杂志评为当年十大科技进展之本文介绍了左手材林的概念，原理和它具有的群速 度、负折射、里想成像，逆Doppler领移，反常Cerenkv辐射等种种奇异的物理性质，并回顾了这一领城近年来的 发展状况 关键词：左手村林负群速度：负折射率：开口全属谐振环：光子品体 中图分类号：04 文献标识码：A 文章编号：1007-3264(2006)03一0000-00 志把左手材料这种特定介个质能使光和其他由磁被以 引言 负折射率偏转评为当年十大科技进展之一。目前左 手材料的研究仍是热点科学项目 1967年前苏联物理学家V.G.Veselago 在老 虑没有能量损失时，同时改变物质μ和€的符号， 1 何谓左手材料 仍然满足麦克斯韦方程以及色散关系，因此他假想 了一种材料，在这种材料里电磁波的行为与在一般 在经典电动力学中，对于无损耗、各向同性、空 材料中的行为是完全不同的”。Veselago预言这种 间均匀介质的自由空间，Maxwell方程组为： 不平常的物质将展示出大量的新奇的光学现象，如 申陵波在这种物质中传播由矢量、磁矢量与波矢量 7XE=-留 VXH= 三者满足的是左手法则，逆几何光学，逆Doppler 7。D=0 7·B=0 应和负折射等等。因出人们称这种物质分别称为“双 负物质”DNM)“左手物质”(LHM)和“负折射物 D()=E(0)E=0=EoeE 质”NM)等。然而，Veselago的观点一直没有被 B()=(m)H(o)=%共H 证实，近几年关于负折射物质的争论非常激烈，直到 正弦时变电磁波的波动方程(Helmholtz方程)为： 2000年12 ,美国麻省理工学院的Smh研究小组 7E+K2E=0 7B+K2B=01) 首次人工合成了具有负折射率的“超物质9 2001年他们又做了一个实验.首次观测到微被束在 K2=2传=2%w0=gn 这种“超物质”和空气的分界面上出现负折射现象 1 从而实验证明了构造负折射率物质是可能的 n2=% c= E。 从此。负折射率物质激发了国际学术界以及科研剖 其中n代表折射率c是真空中光速.自然界中物质 门对这种物质中出现的新现象及其可能的应用前景 的：和e一般都与电磁波频率有关，如果不考虑任 的积极思考和深入的研究。2003年美国《科学》杂 何能量的损耗，在正常的介质中，n、丛、在大多数 收稿日期2005-11一12 作者简介：田秀劳(1956一，男，陕西武功人西安邮电学院应用数理系高级工程师。 21994-2017 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
2006 年 5 月 第 11 卷 第 3 期 西 安 邮 电 学 院 学 报 JOURNAL OF XI' AN UNIVERSITY OF POST AND TELECOMM UNICATIONS May.2006 Vol.11 No.3 收稿日期:2005 -11 -12 作者简介:田秀劳(1956 -), 男 , 陕西武功人, 西安邮电学院应用数理系高级工程师。 左手材料的奇异特性 田秀劳 (西安邮电学院 应用数理系, 陕西 西安 710061) 摘要:左手材料是指一种介电常数ε和磁导率μ同时为负值的材料。 近几年在实验上取得了突破性的进展, 尤其是 在 2003 年, 被美国的科学杂志评为当年十大科技进展之一。 本文介绍了左手材料的概念、原理和它具有的负群速 度、负折射率、理想成像、逆 Doppler 频移、反常 Cerenkov 辐射等种种奇异的物理性质。 并回顾了这一领域近年来的 发展状况。 关键词:左手材料;负群速度;负折射率;开口金属谐振环;光子晶体 中图分类号:O4 文献标识码:A 文章编号:1007-3264(2006)03 -0000 -00 引 言 1967 年前苏联物理学家 V .G .Veselago 在考 虑没有能量损失时 , 同时改变物质 μ和 ε的符号 , 仍然满足麦克斯韦方程以及色散关系 , 因此他假想 了一种材料, 在这种材料里电磁波的行为与在一般 材料中的行为是完全不同的 [ 1] 。 Veselago 预言这种 不平常的物质将展示出大量的新奇的光学现象 , 如 电磁波在这种物质中传播电矢量 、磁矢量与波矢量 三者满足的是左手法则 、逆几何光学 、逆 Doppler 效 应和负折射等等 ,因此人们称这种物质分别称为“双 负物质”(DNM)、“左手物质”(LHM)和“负折射物 质”(N RM)等。然而, Veselago 的观点一直没有被 证实 ,近几年关于负折射物质的争论非常激烈 ,直到 2000 年 [ 2-4] ,美国麻省理工学院的 Smith 研究小组 首次人工合成了具 有负折射率的“ 超物质” [ 5] 。 2001 年他们又做了一个实验 ,首次观测到微波束在 这种“超物质”和空气的分界面上出现负折射现象 , 从而实验证明了构造负折射率物质是可能的 [ 6] 。 从此, 负折射率物质激发了国际学术界以及科研部 门对这种物质中出现的新现象及其可能的应用前景 的积极思考和深入的研究。 2003 年美国《科学》杂 志把左手材料这种特定介质能使光和其他电磁波以 负折射率偏转评为当年十大科技进展之一 。目前左 手材料的研究仍是热点科学项目 。 1 何谓左手材料 在经典电动力学中 , 对于无损耗 、各向同性、空 间均匀介质的自由空间 , Maxwell 方程组为 : ×E ω =- B ω t ×H ω = D ω t ·D ω =0 · B ω =0 D ω (ω)=ε(ω)E ω =0 =ε0εrE ρ B ω (ω)= μ(ω)H ω (ω)= μ0 μrH ω 正弦时变电磁波的波动方程(Helmholtz 方程)为 : 2 E ω +K 2 E ω =0 2 B ω +K 2 B ω =0 (1) K 2 = ω2 με= ω2 μrμ0εrε0 = ω2 c 2 n 2 n 2 = μrεr c = 1 ε0μ0 其中 n 代表折射率, c 是真空中光速 。自然界中物质 的 μ和ε一般都与电磁波频率有关 ,如果不考虑任 何能量的损耗 ,在正常的介质中, n 、μ、ε在大多数 DOI :10 .13682 /j .issn .2095 -6533 .2006 .03 .036
·132· 西安邮电学院学担 2006年5月 情况下都为正数，此时方程()有波动解，电磁波能 满足右手螺旋关系，这种常规的介质就被称为右手 在其中传播.对于无损耗、各向同性、空间均匀的介 材料”(Rght一Handed Materials ，由Maxwell方程组能推出平面单色电磁波方程 如果介质的和€两者之间一个为正数而另 为 个为负数则K2<0,K无实数解，即方程(1)无波 B(x.1)- 动解电磁波不能在其中传播。 B(x.1)=Boe 如果介质的和都小于零方程(1)有波动 解，电磁波能在其中传插.但是(2)式变为 日有 KX E=-0I H KX H=0 lelE 3) K·E=0K·H=0 显然K、E、H之间不再满足右手螺旋关系而是满足 可见，由磁波是横波，波的相位传播矢量《和 左手螺旋关系.如图1表示，这种介质就被称为左 电矢量E和磁矢量H相互垂直，并且K、E、H之间 手材料”(Left一Handed Materials) 右手材料>0,μ>0) 左手材料e<0,u<0 图】电磁波在()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 K为负数，介质的折射率n也为负数，所以这种介 2 左手材料的奇异特性 质也被称为“负折射率物质”(Negative Index of Refraction material) 2.1能流的方向和波矢方向相反 2.2反常折 电磁波能流的方向即群速的方向，取决于玻印 在左手材料中，申磁波的相速度和群速度方向 廷矢量S的方向，在正常材料中S和K(它的方向 相反从而呈现出许多新颖的光学特性电磁波从常 代表电磁波相速的方向)总是相同的，即相速和群 规介质射向左手介质时，在界面处满足Maxwell方 速方向是一致的.而被印任矢量S 程的边界条件折射光仍然满足Snell定律 S=EXH nisin=nsin 7) 即E、H、S始终构成右手螺旋关系.但在左手 由于2=一J2 材料中，S和K这两个方向却正好相反，因此左手材 所以，应取负角度，因此折射光偏折方向会与入射 料又被称为“负群速度Negative group velocity)材 光在法线的同侧，如图2()所示.根据左手材料这 料.如图1所示.由于左手材料中k和S的方向相 个特性，人们设想出理想的透镜如图2(b)以左手材 反。K取负值。 料为材质制作的凸诱镜或凹诱镜，分别会表现出敬 K-w/ (5) 光或聚光的效果(c)平板状的左手材料，会有类位 n=￡=k=-, (6) 一般凸透镜的聚光效果。 1994-2017 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnkine
情况下都为正数 ,此时方程(1)有波动解 ,电磁波能 在其中传播 。对于无损耗、各向同性、空间均匀的介 质,由 Maxw ell 方程组能推出平面单色电磁波方程 为: B ρ (x , t)=E ω 0e i(k ρ ·k ρ -ωt) B ω (x , t)=B ω 0 e i(k ρ ·k ρ-ωt) 且有 K ω ×K ω = ωμH ω K ω ×H ω =-ωεE ω (2) K ρ · E ω =0 K ρ · H ρ =0 可见, 电磁波是横波, 波的相位传播矢量 K 和 电矢量E 和磁矢量 H 相互垂直 ,并且 K 、E 、H 之间 满足右手螺旋关系 。这种常规的介质就被称为“右手 材料”(Rig ht -Handed Materials) 如果介质的 μ和ε两者之间一个为正数而另一 个为负数, 则 K 2 <0 , K 无实数解;即方程(1)无波 动解,电磁波不能在其中传播。 如果介质的 μ和ε都小于零, 方程(1)有波动 解 ,电磁波能在其中传播。但是(2)式变为 K ω ×E ω =-ω|μ|H ω K ω ×H ω = ω|ε|E ω (3) 显然K 、E 、H 之间不再满足右手螺旋关系而是满足 左手螺旋关系 。如图 1 表示 , 这种介质就被称为“左 手材料”(Left -Handed M aterials) 图 1 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 2 左手材料的奇异特性 2 .1 能流的方向和波矢方向相反 电磁波能流的方向即群速的方向 , 取决于玻印 廷矢量 S 的方向, 在正常材料中 S 和 K(它的方向 代表电磁波相速的方向)总是相同的 , 即相速和群 速方向是一致的 .而玻印廷矢量 S S ω =E ρ ×H ω (4) 即 E 、H 、S 始终构成右手螺旋关系 。但在左手 材料中, S 和K 这两个方向却正好相反 ,因此左手材 料又被称为“负群速度(Negative g roup velocity)材 料” 。如图 1 所示 。由于左手材料中 k 和 S 的方向相 反。K 取负值 。 K =-ω εμ (5) n = c v =ck ω =- εrμr (6) K 为负数, 介质的折射率 n 也为负数 , 所以这种介 质也被称为“ 负折射 率物质”(Negative Index of Refraction Material) 2 .2 反常折射 在左手材料中 , 电磁波的相速度和群速度方向 相反,从而呈现出许多新颖的光学特性。电磁波从常 规介质射向左手介质时 , 在界面处满足 M axwell 方 程的边界条件,折射光仍然满足 Snell 定律 n 1sin θ1 =n 2sin θ2 (7) 由于 n2 =- ε2 μ2 所以 θ2 应取负角度 ,因此折射光偏折方向会与入射 光在法线的同侧 。如图 2(a)所示。根据左手材料这 个特性 ,人们设想出理想的透镜如图 2(b)以左手材 料为材质制作的凸透镜或凹透镜 , 分别会表现出散 光或聚光的效果。(c)平板状的左手材料 ,会有类似 一般凸透镜的聚光效果 。 · 132 · 西 安 邮 电 学 院 学 报 2006 年 5 月
第3期 田秀劳：左手材料的奇异特性 ·133· <0.<0 左手材料 1c0 左材 (a) (c) 图2入射光进入左手林折射光偏折方向会与入射光在法线的同边， 2.3逆Dopper效应 其中ⅴ是粒子运动的速度，而在负群速度介质中， 若光源发出频率的光而侦测器以速度v接 能量的传播方向与相速相反，因而辐射将背向粒子 近光源时，在一般介质之中侦测器所接收到的电磁 的运动方向发出，辐射方向形成一个向前的锥角 波频率将比高，而在左手材料中，因为能量传播 电磁辐射对反射体造成的光压，在左手材料形 的方向和相位传播的方向正好相反所以如果二者 成对反射体的拉曳力（负光压），而不是如在一般介 相向而行，观察者接收到的频率会降低，则会收到比 质中的压力（见图4）. ao低的频率，反之则会升高，从而出现逆Doppler频 移现象如图3所示. 左手材料 (b) 测器 (a)正常材料中：(b)左手材料中 图4 Cerenkov辐射的示意图 图3常规介质与左手材料中Doppler效应的比较 2.4反常的Cerenkov效应 左手材料的人工构造 在左手材料中，相速与群速方向正好相反的另 一个推论就是反常Cerenkov辐射，在真空中匀速运 3.1金属线和开和的金属环构造的左手材料 动的带电粒子不产生辐射电磁波，而当带电粒子在 1967年Vesclag0对电磁波在介电常数e和磁导 介质中匀速运动时会在其周围引起诱导电流，从而 率同时为负数的介质中的传播特点作过纯理论的 在其路径上形成一系列次波源，分别发出次波.当粒 研究.但自然界中没有发现和同时为负数的 子谏度超过介质中光速时，这些次波互相干涉，从而 介质存在，所以他的研究结果在20世纪一直没有得 辐射出电磁波，称为Cerenkov辐射.正常材料中，干 到实验验证，人们对左毛材料的兴趣也基本消失了 涉后形成的波前。即等相面县一个谁面。申陵波能量 自然界虽然没有天然的左手材料，但是存在<〔 沿此锥面的法线方向辐射出去，是向前辐射的，形成 和>0的物质，这首先想到的就是等离子体，包括 个向后的锥角.即能量辐射的方向与粒子运动方 气体等离子体(plasma)和金属内自由电子的等离了 向夹角,0由下式表示 体激元(plasmon),其介电常数 9 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/www.cnki.nct
图 2 入射光进入左手材, 折射光偏折方向会与入射光在法线的同一边。 2 .3 逆 Doppler 效应 若光源发出频率 ω0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 ω0 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 ω0 低的频率 ,反之则会升高 ,从而出现逆 Doppler 频 移现象。如图 3 所示 。 图 3 常规介质与左手材料中 Doppler 效应的比较 2 .4 反常的 Cerenkov 效应 在左手材料中, 相速与群速方向正好相反的另 一个推论就是反常 Cerenkov 辐射 。在真空中匀速运 动的带电粒子不产生辐射电磁波 , 而当带电粒子在 介质中匀速运动时会在其周围引起诱导电流 , 从而 在其路径上形成一系列次波源 ,分别发出次波 。当粒 子速度超过介质中光速时 ,这些次波互相干涉 ,从而 辐射出电磁波, 称为 Cerenkov 辐射。正常材料中, 干 涉后形成的波前 ,即等相面是一个锥面 。电磁波能量 沿此锥面的法线方向辐射出去 ,是向前辐射的 ,形成 一个向后的锥角, 即能量辐射的方向与粒子运动方 向夹角 θ, θ由下式表示 cosθ= c nυ (8) 其中 v 是粒子运动的速度 , 而在负群速度介质中, 能量的传播方向与相速相反, 因而辐射将背向粒子 的运动方向发出, 辐射方向形成一个向前的锥角 。 电磁辐射对反射体造成的光压, 在左手材料形 成对反射体的拉曳力(负光压), 而不是如在一般介 质中的压力(见图 4)。 (a)正常材料中;(b)左手材料中 图 4 Cerenkov 辐射的示意图 3 左手材料的人工构造 3 .1 金属线和开口的金属环构造的左手材料 1967 年Veselago 对电磁波在介电常数 ε和磁导 率 μ同时为负数的介质中的传播特点作过纯理论的 研究[ 1] 。但自然界中没有发现 ε和 μ同时为负数的 介质存在,所以他的研究结果在 20 世纪一直没有得 到实验验证 ,人们对左手材料的兴趣也基本消失了。 自然界虽然没有天然的左手材料 , 但是存在 ε<0 和 μ>0 的物质, 这首先想到的就是等离子体, 包括 气体等离子体(plasma)和金属内自由电子的等离子 体激元(plasmon),其介电常数 ε(ω)=1 - ω2 p ω (9) 第 3 期 田秀劳:左手材料的奇异特性 · 133 ·
·134· 西安邮电学 院学报 2006年5月 这里为等离子体振荡的本征频率，当w<时 它在低频下将是负值（会有一个小的虚部），这些工 就可以使介电常数为负值.1996年一1999年，英国 作极大地推动了这一领域的发展。2000年，美国加 皇家学院院士Pendry等人相继提出了用周期性排 州大学圣迭戈分校物理系的Smith等人又走出了关 列的金属条和开口金属谐振环Sp: Ring 键一步，将金属丝板和SRR板有规律地排列在 Resonator简称SRR)可以在微波波段产生负等效介 起，制作了世界上第一块等效介电常数和等效磁导 电常数和负等效磁导率梨一，他在理论上仔细地研 率同时为负数的介质，20O1年，Shelby等人首次在 究了导线阵列和有缺口的环形共振器阵列的电磁性 实验上证实了当电磁波斜入射到左手材料与右手材 质。对于前者，主要是为了在一段有限长的金属导 料的分界面时，折射波的方向与入射波的方向在分 线内产生等离子体激元，得到上面形式的介电常数 界面法线的同侧一可，2003年Pamz2oi等人在卖 e(w).而共振器形状如图5(a)所示，当有垂直于环 验和数值模拟上进一步验证了NIM中的Sndl定 面的磁场振动时，环内产生振荡电流和电荷，从而产 律，为左手物质是否真实存在的争论暂时划下了 生有效的磁导率丛()。 个句点)，近年来SRR得到了快速的发展网 (10) (a)a single SRR.(b)a CSRR.(c)aperiodic CMM composed of SRRs on one side and wines on the other side of a didectrie board. 图5RSR阵列构成的左手材料 3.2光子晶体(Photonie Cry stals) 所示光子晶体负折射实验研究19 光子晶体(PC)是由两种或两种以上的电介质 光子晶体的“等效负折射率”可以由构成材料的 材料周期性排列而成的人造材料，排列周期为波长 电介质的介电常数和材料周期性来调整，而且在高 量级，具有光电带隙，可以控制电磁波在其中的传播 频率下有着很低的电磁损耗三维PC比较容易削 (如图6)。随着人工光子品体结构研究的发展，有 成，因此P℃比左手材料更容易实现红外和光学频 人提出了不借助金属。完全用电介质材料组成的光 率下的应用， 子品体来实现左毛材料，通过对材料折射率的空间 分布进行周期性调制，改变其色散关系ω(k)形成类 左手材料的应用发展前景 似于电子在晶体中那样的能带结构。可以经过特殊 设计，使得在某些波段，群速和相速方向相反，具有 左手材料可以用于平板透镜，光束控制，耦合器 左手材料的特点。而且笛若现代微加工技术的发 等方面。传统透镜的分辨率限制(diffraction limit): 展这类人造光子晶体结构的左手材料更有可能进 △x-2/k=入这是造成DVD读写密度限制和光 入到可见光范围.2003年，土耳其Bilkent大学物 刻电路密度限制的主要原因。左手材料制成的透 理系的一个小组在实验中用白宝石短棒构成的正方 镜，在合适的条件下，可以成为“理想透镜”，实现亚 点阵结构实现了二维光子品体的负折射现象。图7 波长分辨率。但是实现这个条件是相当苛刻的，目 ?1994-2017 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http//www.cnkine
这里 ωp 为等离子体振荡的本征频率 ,当 ω<ωp 时 , 就可以使介电常数为负值 。1996 年 -1999 年 , ,英国 皇家学院院士 Pendry 等人相继提出了用周期性排 列的 金 属 条 和开 口 金 属 谐 振 环 (Split - Ring Resonator 简称 SRR)可以在微波波段产生负等效介 电常数和负等效磁导率[ 2-4] 。他在理论上仔细地研 究了导线阵列和有缺口的环形共振器阵列的电磁性 质。对于前者 , 主要是为了在一段有限长的金属导 线内产生等离子体激元 , 得到上面形式的介电常数 ε(ω)。而共振器形状如图 5(a)所示 ,当有垂直于环 面的磁场振动时 ,环内产生振荡电流和电荷, 从而产 生有效的磁导率 μ(ω)。 μ(ω)=1 - Fω2 0 ω2 -ω2 0 -iωΓ (10) 它在低频下将是负值(会有一个小的虚部), 这些工 作极大地推动了这一领域的发展。 2000 年, 美国加 州大学圣迭戈分校物理系的 Smith 等人又走出了关 键一步, 将金属丝板和 S RR 板有规律地排列在一 起 ,制作了世界上第一块等效介电常数和等效磁导 率同时为负数的介质 。2001 年 , Shelby 等人首次在 实验上证实了当电磁波斜入射到左手材料与右手材 料的分界面时 ,折射波的方向与入射波的方向在分 界面法线的同侧[ 3-6] 。2003 年, Parazzoli 等人在实 验和数值模拟上进一步验证了 NIM 中的 Snell 定 律 ,为左手物质是否真实存在的争论暂时划下了一 个句点[ 7] 。近年来 SRR 得到了快速的发展[ 8] (a)a single SRR, (b)a CSRR, (c)aperiodic CMM composed of SRRs on one side and wires o n the o ther side of a dielectric board . 图 5 RSR 阵列构成的左手材料 3 .2 光子晶体 (Photonic Cry stals) 光子晶体(PC)是由两种或两种以上的电介质 材料周期性排列而成的人造材料 ,排列周期为波长 量级 ,具有光电带隙 ,可以控制电磁波在其中的传播 (如图 6)。随着人工光子晶体结构研究的发展 , 有 人提出了不借助金属, 完全用电介质材料组成的光 子晶体来实现左手材料:通过对材料折射率的空间 分布进行周期性调制 ,改变其色散关系 ω(k)形成类 似于电子在晶体中那样的能带结构 。可以经过特殊 设计 ,使得在某些波段 , 群速和相速方向相反, 具有 左手材料的特点 。而且随着现代微加工技术的发 展,这类人造光子晶体结构的左手材料更有可能进 入到可见光范围 。 2003 年, 土耳其 Bilkent 大学物 理系的一个小组在实验中用白宝石短棒构成的正方 点阵结构实现了二维光子晶体的负折射现象 。图 7 所示光子晶体负折射实验研究[ 9-10] 。 光子晶体的“等效负折射率”可以由构成材料的 电介质的介电常数和材料周期性来调整 , 而且在高 频率下有着很低的电磁损耗, 三维 PC 比较容易制 成 ,因此 PC 比左手材料更容易实现红外和光学频 率下的应用 。 4 左手材料的应用发展前景 左手材料可以用于平板透镜 ,光束控制,耦合器 等方面。传统透镜的分辨率限制(diffraction limit): Δx ～ 2π/k =λ 这是造成 DVD 读写密度限制和光 刻电路密度限制的主要原因。左手材料制成的透 镜 ,在合适的条件下, 可以成为“理想透镜” ,实现亚 波长分辨率。但是实现这个条件是相当苛刻的, 目 · 134 · 西 安 邮 电 学 院 学 报 2006 年 5 月
第3期 田秀劳：左手材料的奇异特性 ·135· 前还只能在微波区段实现负折射率，而且频率范围将尺寸制作到足够小以至于在光学频率下使用。 很窄。它们都是对电磁波有较大的损耗而且很难 (a)Photonic Crystals (b)Hoks-i 图6 (a)Experimental setup (not to scale).(b)Propagation vectors for positive and negative refraction.(c)-(f)Microw ave electri fidd mape in the far field region.(c)Negative and (e)positive refraction by the metallic PC prism for the incident beam along I K (incident angle 30).WF(w ave front)with espect to mefracting surface.(d)Negative refraction for the incident beam dong .图新笑鞋舞恤p一 随着现代纳米科学和微加工技术的发展，将有 参考文献 可能制造出可见光范围的这种材料，尤其是光子晶 体结构的左手材料：这种材料具有诸多以前各种材 [ll Vedago V.G.The deetrody namies of sbstances with 料均不具备的奇妙的申磁性质，它对光的反常析制 simultaneously negative values ofe and.Sov.Phys 使之可以方便的用来做集成光路里的光引导元件 Usp,1968(10):509-514 它制成的微透镜拥有更高的分辨率，使之可以应用 Pendry J B.Holden A.J.Stew art W.J.and Youngs I.Extremely Low Fre ey Plasmons in Metal 在光学高密度存储和微加工等方面：如光刻蚀技术 lie Me .Phys Revl Lett 1996(76):477 (photolithography)近场光学显微仪(ner一ied ptical microscopy)可选波长的滤光器(wavdlength 479 3]Pendry J.B Holde A.J Stewart W.J.and Youngs 一tunable filter)光学显示器(optical displays)等许 1.Low frequency plasmons in thin-wire structured. 多技术将得到新的发展demic Joumal Electronic Publishing、l8(07s5=、4803inc
前还只能在微波区段实现负折射率 ,而且频率范围 很窄。它们都是对电磁波有较大的损耗, 而且很难 将尺寸制作到足够小以至于在光学频率下使用 。 (a)Pho tonic Cry stals, (b)Ho les -in -dielectric;(c)ro ds-in -air 图 6 光子晶体 (a)Ex perimental setup (not to scale).(b)Propagation vectors fo r positive and neg ative refraction.(c)-(f )Microw ave electric field maps in the far field region.(c)Neg ative and (e)positive refraction by the metallic PC prism for the incident beam along Γ ※K (incident ang le 30°).WF(w ave front)w ith respect to refracting surface.(d)Neg ative refractio n fo r the incident beam alo ng Γ※ M (incidence ang le 60°).(f )Positive refractio n by a polysty rene prism .In all the field maps 图 7 光子晶体负折射实验研究 随着现代纳米科学和微加工技术的发展, 将有 可能制造出可见光范围的这种材料 ,尤其是光子晶 体结构的左手材料:这种材料具有诸多以前各种材 料均不具备的奇妙的电磁性质 , 它对光的反常折射 使之可以方便的用来做集成光路里的光引导元件 ; 它制成的微透镜拥有更高的分辨率 ,使之可以应用 在光学高密度存储和微加工等方面 :如光刻蚀技术 (pho tolithography)近场光学显微仪 (near -field optical microscopy)可选波长的滤光器 (w avelength -tunable filter)光学显示器 (optical displays)等许 多技术将得到新的发展。 参 考 文 献 [ 1] Veselago V .G .The electrody namics of substances with simultaneously neg ative v alues o f εand μ[ J] .Sov .Phys. Usp , 1968(10):509 -514. [ 2] Pendry J .B., Ho lden A.J ., Stew art W.J .and Young s I.Ex tremely Low Frequency Plasmons in Metallic Mesostructures[ J] .Phy s.Rev1 Lett , 1996(76):4773 -4795. [ 3] Pendry J.B, Holden A.J .S tewart W.J .and Youngs I .Low frequency plasmons in thin -wire structures[ J] . J .Phys .Co ndens.Matt , 1998(10):4785 -4809 . 第 3 期 田秀劳:左手材料的奇异特性 · 135 ·