负折射率光子晶体1.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,负,折射率光子晶体,组员：,武楚晗,2120140648,贾耿磊,2120140631,负折射率材料,负折射率材料的介电常数,和磁导率,都,小于,0,。,早在,1968,年前苏联科学家,Veselago,V G,就曾预言了反常折射现象的,存在,；,1996,年,Pendry,等发现合适半径的二维导电金属丝和中性等离子体出现介电常数为负,(,即,0),的,性质,；,1999,年,Pendry,等发现多个周期阵列并相互耦合的带缝隙的环形谐振器,SRR,在一定的频率范围内出现负磁导率,(,即,0),的,现象；,2000,年美国加州大学,(UCSD)Smith DR,教授领导的研究组根据,Pendry,的研究，成功地合成了这种负折射率材料,(NIM),，因为该材料,k,、,E,、,H,符合左手螺旋规律，故又称其为左手材料,(LHM),。,负折射率材料,2002,年，从理论上，麻省理工学院,J,A,Kong,教授证明了左手材料存在的合理性，,并不,违背经典电磁,理论,；,J,Pendry,和,D,r,Smith,也从群速度的定义出发，理论上证明了群速是沿负方向,折射；,浙江大学电磁科学院研究小组和,J,A,Kong,等采用高斯波束倾斜入射到左手材料介质上产生波束位移的方法，用实验的方式也验证了负折射现象的,存在；,2003,年，加拿大多伦多大学用电磁和电感阵列构造了左手材料，并做了一系列实验，观察到左手材料的特有,现象。,求解,Maxwell,方程组,当均匀平面波在各向同性均匀的介质中传播时，波矢量,k,，电场矢量,E,，磁场矢量,H,和,能流方向,S,满足,如下关系：,在常规介质中，,E,H,K,满足右手螺旋关系，符合右手规则；而在负折射率材料中，,和,均为负，,E,H,K,满足左手,螺旋,关系，符合左手规则。负折射率材料又称左手材料。,S,E,H,三者始终符合右手规则。,负折射介质,折射率值,当,和,同,为负值，波矢量,k,与能量流方向相反，则,k0,，即,0,，,n0,。,经过,上述验证波矢量,k,和折射率,n,取小于,0,的解和电磁理论并不是背道而驰,，所以折射率,n0,也是合理,的。,负折射率材料中,折射率与,磁导率、介电常数关系的表达式为,不同,和,下,的材料。,负折射率材料的分类,1.,Smith,结构,Smith,等人将,SRR(Split-Ring Resonator),结构和,Rod,结构相结合，构造出了一,维负,折射率材料。一维表示一个方向的电场和磁场相互作用，波矢就只能是朝一个方向,。,负折射率材料的分类,2.,对称环结构,T,M,Gregorczyk,等人在先人研究的基础上提出并构造了对称环结构左手材料,。其,结构单元是两个相同尺寸的开路环相称的放置在,x,，,y,，,z,，,3,个方向上的空间坐标,轴上。周期,单元都包含,2,个环结构和,1,个,ROD,结构,，对称,环左手材料在,8,2GHz-8,7GHz,之间的频率段，折射率为负值，中心频点在,8,5GHz,左右,。研究出的对称环结构比,Smith,结构左手材料更能克服金属开路环的不对称,从而产生,的效应。,3.,结构,Smith,结构和对称环,结构损耗很大，浙江大学,专门研究左手材料,的科研,人员发现,Q,形状的金属细线能够同时产生小于零的磁导率和小于零的,介电常数，并,理论上构造出,Q,结构左手,材料。,4.S,型材料,陈红胜等人通过改变,SRR,结构的形状，发明了新的,S,型谐振结构,，,它,的磁导率,的小于,0,频段和等效介电常数的小于,0,频段能够相对宽松重叠，只利用,S,型,谐振,器就组成了负折射率,材料。,对于,一个正常介质的平板，对光只起到发散作用，如图,1(a),；而对于负折射率介质平板，对光能起到会聚作用，如图,1(b),。而且负折射率介质平板能放大消逝波，如果用负折射率介质平板作为成像透镜，就能解决传统成像系统中在物体精细结构变化小于波长时消逝波的衰减而丢失光信息的问题，所以通过选择适当的参数，负折射率介质平板可成为性能优越的成像透镜。,光子晶体,光子晶体实际上就是一种介质在另一种介质,中周期,排列组成的人造,晶体，该,排列周期为波长量级。光子晶体中介质折射率的周期变化对光子的影响,与半导体材料,中周期性势场对电子的影响,相类似。,光子晶体光纤,1998,年英国,Bath,大学,的研究人员在,Science,上首次,发表,了采用,光子晶体围绕空心结构的光子照,体光纤,，如,图,1,所,示。该光子晶体光纤的透射光的,近场和,远场都是六瓣结构图形。,Bath,大学的研究小组的,另一,个,工作是,将蜂窝结构中心的玻璃棒抽燃,7,根，,形成,图,2,所示的结构。,由于,它能将能量集中在空气,纤芯中,，因此具有像,空的金属微波,波导那样的优越性，,即支持,极高的功率密度而不至于,崩溃。,负折射率光子晶体光纤,传统,的光子晶体光纤是在纤芯引入低于包层材料的空气,缺陷，,因此光的导入完全借助于,光子,带隙,(photonic band gap,，,PBG),效应，其机理是利用包层中高度有序排列的,空气孔形成,PBG,，纤芯是,在光纤,中引入缺陷，使光波仅能以缺陷态在纤芯,传播。,由于光脉冲是在空气缺陷中传输，因此理论上讲,这种空心,光纤的结构克服了传统单模光纤的损耗和色散等缺点。,图中横向,截面为正折射率介质中含有负折射率,介质,柱,(,图中,白色部分,),的周期性排列，纤芯为负,折射率,介质。由于纤芯的折射率小于包层的等效,折射率,，因此，这种光子晶体光纤的导光机理是光子,带隙,(,PBG),效应。,假定在无源空间里且介质无损，当输入随时间正弦震荡的场时，麦克斯韦方程为,其中，为磁场强度，为电场强度，,0,为,真空,中的介电常数，,为磁导率，为相对介电常数，此时，,(r)0,，普通介质,a,(r,)0,，负折射率介质,通过求解，（,4,）式只在某些特定频率,处有解，就是说在,(r),呈周期性分布的正介质和负介质中，电磁波的某些频率是禁止传播的，这些被禁止的频率区间为“光子带隙”。,由导播光学,可知，在正常折射的光子晶体光纤中，传播常数,需满足,（,6,）,其中，,n,cor,为纤芯折射率，,k,z,为波矢,k,在纵轴上的分量，,为模式传播常数。而在负折射率的光子晶体光纤中，由于,n,cor,0,，,k,z,0,，,(6),式仍未改变。通常用,来表征纵向传播常数,(,为包层空气柱间距,),，即要求,n,cor,k,。,由以上分析可得，要在含负折射介质光子晶体光纤中实现中心缺陷导光，须同时满足光波频率落在光子禁带范围和传播模式满足,n,cor,k,两个条件，在带隙图中要求,n,cor,k,与禁带有重叠。,负折射率介质的光子晶体光纤结构的重要,参量有,：负折射率,n,a,、,正,折射率,n,b,、,负折射率介质柱,间距,、,纤芯半径,R,、负折射率介质柱直径,d,、包层层,数,n,和,负折射率介质与正折射率介质比,d/A,，,下,图为包层,是三角形结构、负折射率介质柱层数为,5,层、介质,材料,为,SiO,2,的,光子晶体光纤。,图,4(a),一,(d),给出了当,n=5,，,n,b,=1,.,46,，,d,/,=0.76,，,n,a,分别为,-0.79,、,-1.0,、,-1.5,、,-2.4,时三角形,结构的带隙图。横坐标是归,化,传播常数,，,纵坐,标是归,化频率,(-,k,),，传播线,为,=,n,a,k,。随,值的,增大，传播线和带隙总体向右下角移动。带隙趋于,平坦,，宽度从窄到宽再窄，与传播,线,=,n,a,k,的,交叠,部分也,由少到多再少。,因此 过,大过小对负折射的光子,晶体光纤,导光都是不利的，需,根据,情况,选择,合适的值,。,图,5(a),一,(d),给出了当,n=5,n,a,=-1,.,5,，,n,b,=1,.,46,，,固定,，,改变,d,，,使,d,/,分别,为,0,.,58,、,0.78,、,0.88,、,0,.,92,时三角形结构的带隙图。从图,5(a,),一,(d),可以看出，随,d,/,值,的增大，传播线,保持不变,。带隙数量和宽度在,d,/,=0,.,88,时达到最大,，与,传播,线,=,n,a,k,的,交叠部分,也,最多,。,因此,合理选择,负正介质比,d,/,对,带隙效应导光具有重要,作用,。,上述结果,表明，,对于三角形结构负折射率,介质光子,晶体光纤，负折射率绝对值过大或过小对,光子带隙,效应导光都是不利,的。,当衬底折射率,n,b,为,1,.,46,，负折射率介质,柱,n,a,取,-,1,.,5,，,d/=0,.,88,时,带隙,结构比较,理想,出现,了多条,带隙,在,6,k,20,范围,内有可能实现带隙导光,。,值得指出的是，,这时所,对应的光波波长范围,与,有关,，可以通过选择,合适的,来得,到需要的传输光波波长。,当,取,2.6,m,时，,d/=0,.,88,的三角形结构负折射率介质,光子,晶体光纤可实现带隙效应导光的对应波长,为,1,225 nm,一,4084,n,m,。这个波段不仅是目前,常用,的光通信,波段，而且还延伸到红外波段，这对于,扩大,光纤通信,的应用波段具有重要意义。,