负折射介质的一个重要应用是透镜成像.docVIP

负折射介质的一个重要应用是透镜成像。理论和实验均表明，所制备的准晶光子平板结构确实能够对从点光源发出的电磁波起会聚和成像作用。而且，所成的像可在近场区域之外，像距随物距的增大而线性增大，这些特征和一个理想的折射率为-1的介质平板的折射和成像行为十分吻合，充分表明了所制备的准晶光子结构具有优良的负折射性质。由于所用的电介质材料无吸收，可以预计，所研究的结构可以直截了当地推广到更加感兴趣的可见光和红外波段区域。上述的结果已经发表在6月24日的Physical Review Letters 上 [Vol. 94, 247402, 2005]。 目前，研究人员正在深入探索这些准晶光子结构出现负折射效应的深层次的物理根源。 负折射介质由于其独特新颖的物理性质和诱人的应用前景而获得了国际学术界的广泛关注。负折射介质指的是介电常数和磁导率同时为负的介质，这时介质的折射率小于零。光从常规材料(正折射率介质)入射到负折射介质的界面时将发生负折射现象，折射光线与入射光线在界面法线的同侧。负折射介质改变了光波传播的传统图像。在负折射介质中，光波传播的方向(即波矢方向)，正好与能量传播的方向相反，同时电场、磁场与波矢满足左手规则(不同于传统介质中的右手规则)。负折射介质最引人注目的地方是它们能够放大倏逝波，从而实现“超透镜效应”，极大地提高了透镜成像的分辨率。这将在核磁共振成像、光存储和超大规模集成电路中的光刻技术等诸多方面得到应用。前理论和实验报道的负折射效应都局限于周期性人工微结构材料，典型的有由金属导线阵列和有缺口的环形共振器组成的周期阵列和由电介质材料周期排列成的光子晶体。前者只能工作在微波波段，而后者的工作波段可延伸到可见光和红外区域。总的来说，在这些周期性结构中，晶格点阵的Bragg散射起着重要的作用。负折射效应可以说是非均匀媒质对电磁波的复杂集体响应行为的等效表观现象。 据报道，德国的一个研究小组构造出了一种对可见光具有负折射率的奇异材料，这项验证可能会为 “隐身斗篷”的研究带来进一步的突破，下面是有关负折射率材料隐身技术的更多的详细资料。 一、隐身原理 视觉隐身的原理实际上是引导光波等“转向”，或者是说引导光波“弯曲”。 人之所以能看到物体，是因为物体阻挡了光波通过，如果有一种材料涂在物体表面，能引着被物体阻挡的光波“绕着走”，那么光线就似乎没有受到任何阻挡，在观察者看来，物体就似乎变得“不存在”了，就好像电影《哈里波特》中的魔法，物体在被这种材料“罩住”后，没有人能够看见它，就好像不在同一个时空一样。 二、负折射率材料的奇异光学现象 要实现材料的隐身，最关键的技术就是制造出能扭曲可见光波的材料，科学家称，只要制造出性能合适的材料，实用的“隐身衣”完全可能在近期问世，因此，能使光波“弯曲”的负折射率材料在实验上的成功合成，为可见光的区的隐身技术提供了关键性的基础。那么，光波在负折射率材料是如何实现“弯曲”的呢？原来，在负折射率材料中，电场、磁场和波矢方向遵守“左手”法则，而并非常规材料中的“右手”法则。下图是研究者在实验上观察到的正折射率与负折射率效应，如图所示，当光从具有正折射率的材料（常规材料）入射到具有正折射率材料的界面时，入射光线和折射光线分别位于法线两侧，这是我们所熟知的结果。而当光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，光的折射与常规折射相反，入射光线和折射光线处在于界面法线方向同一侧，也就是说，在这种材料中，光出现了异常传播，出现了扭曲的现象负折射率材料不仅在隐身技术上有重要的运用价值，在制造其他光学器件上应用也将很广泛。利用光在负折射率材料中异常的传播现象，在今天我们能用一块平板玻璃就能构成一块透镜（原理如下图所示），利用负折射率材料的这个特性可以制造平面近视眼镜。我们知道，用常规材料制作眼镜，为了进行不失真的成像，眼镜片必须做成弧线形状，而负折射率材料由于对光线的偏折方向相反，所以可以做成平面镜片，不失真并且保持超高的分辨率如今，负折射率介质仍是国际科学研究的课题之一。虽然现在已有很多关于负折射率的研究，特别是在应用与人工合成方面，负折射率仍然有着相当大的发展空间，弄清其内在的性质，将会为人类造福。这种决窍在于聚集一群当他们经过时可以与光波的电磁场产生共鸣的电子元件。这些材料不像任何常规的物质，因此他们的名字叫作“超颖物质”。彼德利认为，一群比光的波长小得多的镀锡卷板和金属丝可能会实现负折射率。他还首次将这种想法在频率为15兆赫和20兆赫之间的无线电波上进行了论证。随后的实验将这种技术延伸到了更短的波长，并首次进入微波范围，然后是红外线范围。现在，德国卡尔斯鲁厄大学的贡纳尔?多林及其同事已通过按比例减少一种他为红外线波长研发的构造物论证了波长为780纳米的折射效果——红光光谱的长波长末端。多林制成超颖物质