负折射率和光学隐形装置.ppt
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1、负折射率和光学隐形装置 Negative Refraction Index & Optical Invisibility Device,海洋地球科学学院 高凯 信息科学与工程学院 李博 李钦孟,读过哈利波特的人肯定对哈利那件隐形衣印象很深刻。哈利披上隐形衣,就可以神奇般的在众目睽睽下消失的无影无踪!,末日危机中邦德开的那辆可以隐身的车也是神奇无比。,可是他们的隐身装置真的那么神奇吗? 真的可以像电影里说的那样轻而易举的隐形吗?,但是我们是不是可以有这样的设想,倘若光是“流过”这个物体(也就是光在物体周围光滑的弯曲) ,我们看到的是这个物体的背景(background), 那么这个物体就隐形了。
2、可是这样的“弯曲”是不是容易实现?,2007年4月2日的Science Daily 网站上,刊登了这样一则消息,Engineers Create Optical Cloaking Design For Invisibility,工程师们制造出了可以实现光学隐形的遮蔽装置。 完成这项工作的是美国Purdue大学的Vladimir Shalaev 和他的科研小组。,Vladimir Shalaev等人进行了一组二维的光学隐形实验。上图显示的是683.2纳米的红光通过一个二维的光学隐形装置的传播情况。控制隐形材质的相关变量(主要是介电常数和磁导率), Vladimir Shalaev等人使光线光滑的
3、绕过了障碍物,也就是,使被遮蔽物隐形了。 黑色的平行线代表光线,被遮蔽物,隐形材质,真空,隐形材料,在正式讨论光学隐形装置之前,我们似乎有必要介绍一下负折射率(negative refraction index)和左手性材料 (left-handed metamaterial)。因为光学隐形装置的研制即以此为基础。事实上, Vladimir Shalaev 等人的研究与此密不可分。,早在1968年, 当时苏联的科学家V.G. Veselago提出了左手旋(Left Handed)的概念。他探讨了可能存在的左手物质(Left Handed Materials)的一些物理性质。 我们通常所提到的右
4、手旋物质(Right Handed Materials),其能流方向和相位方向的夹角小于90度,但对于左手旋物质,夹角则大于90度。 左手旋物质的一个直接特性就是负折射率(Negative Fraction Index)。,用数学来描述就是,左手旋物质的介电常数(Permittivity)和磁导率(Permeability)均小于零。 根据经典电动力学,介质的折射率 ,所以左手旋物质的折射率为负数。,负折射现象 是负折射率介质的传播性质之一。此时,光线的方向已经不满足Snell定律,但是大小仍然满足。,反常成像透镜 也是左手性材料十分有趣的特点,这与通常的光学介质是完全相反的。利用它的这种性质
5、,可以制造出分辨率超高的扁平光学透镜。,很遗憾的是,由于不存在天然的左手性物质,所以在Veselago提出左手性物质概念之后很长时间里,人们并未对其抱有很大的兴趣。,直到上个世纪末的1996-1999年,伦敦帝国理工学院的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,SSR)可以在微波波段产生负等效介电常数和负等效磁导率。,Professor John Pendry,SRR,环形金属线圈,用来产生值为负的,Short Wires,短金属线,用来产生值为负的,实际上,SRR是一个LCR电路,周期性排布的短金属线,Pendry等人的负折射
6、率材质模型,Split-Ring Resonator,SSR,A negative index metamaterial formed by SRRs and wires deposited on opposite sides lithographically on standard circuit board. The height of the structure is 1 cm.,这就是这种负折射率材质的立体模型,Pendry和D.R. Smith在他们的论文中指出,如左图所示,电磁波在负折射率介质(a)中发生的折射的确与正常介质(b)中的不同。,a,b,在负折射率介质透镜中,电磁波也发
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