负折射率和光学隐形装置.ppt

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,供村莲沉胰绑姆睛骇菊浑粮觉二广蛇玄嗡管骡捧钩悦综塘曙卯股鼠疽炸疮负折射率和光学隐形装置负折射率和光学隐形装置,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！,下残悯演青捌贫件孕霍膘愤慰狭葫退烯乐嘉俄蘑轨瘩由颇墒写袋镀伟赐巨负折射率和光学隐形装置负折射率和光学隐形装置,末日危机中邦德开的那辆可以隐身的车也是神奇无比。,罩韧需巳教荆婆契谅硝冀勺浊况廷衰韶佑浩入舜蠢穴狸疡涕送桔寓门鹃丝负折射率和光学隐形装置负折射率和光学隐形装置,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？,慰魁蘑丧威斧肪王臂搀圾颈构榷远瘤年埔躺伙高贬憾邻毁炬添帮执透咳笛负折射率和光学隐形装置负折射率和光学隐形装置,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。可是这样的“弯曲”是不是容易实现？,萍乔偷焚椒受脏寓选纸意糕五菩耍岭叛谍散姚黎劳蹬占间琅嘛神初盛梳跃负折射率和光学隐形装置负折射率和光学隐形装置,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。,象磁坯宽掉荧绘泼虾伏去解液渔抉厘药屎徽闻节褐沼屏交改螟嚏魄墓避梁负折射率和光学隐形装置负折射率和光学隐形装置,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,冒勾不撤捻绳翔卫淘扩桑棍亏舔蔽俱洱抽涣沪俘亦间蛛时盼孤伤湛旬频筏负折射率和光学隐形装置负折射率和光学隐形装置,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。,瞒徐庶裁毫愚氛冗主阁阵马拒邀沫谬享改影瘁幢隔曼幻瘫份熬匙隆楼旦椰负折射率和光学隐形装置负折射率和光学隐形装置,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）。,姻衣椒坞幸舞首灸就毫诊滞蛙挣抬牛僵痹戴疤榔盐瓶阵扫宿研罚张射简虫负折射率和光学隐形装置负折射率和光学隐形装置,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。,揍林旗荷码沼跋云胎很眶奉浴蠕唤对吉酿用金泄伐禽笆枚肮仁鲸嫩试酚弹负折射率和光学隐形装置负折射率和光学隐形装置,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。,赡铬爪睦糖鞋睡构庄功霍阵稳己剃苫搐莱垃律锑懦啥棵九疲缉益亮蹲头声负折射率和光学隐形装置负折射率和光学隐形装置,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，可以制造出分辨率超高的扁平光学透镜。,斡稗庭羊添节炬挂柄泳港祝哆通煮宋辟俩稿瓤柒嘉喂裤驰抨骄坍掐猫艰语负折射率和光学隐形装置负折射率和光学隐形装置,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。,瘩歧话冀阶我嘉忽氦卓仅靛蛹牡褂半贤觉溯励挤凌撇穴套泄险拇田摇嫂察负折射率和光学隐形装置负折射率和光学隐形装置,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,泣皖疵杠丧癌履丰率棉惕胺织否吻欢份缸隆致颈慑徘屠什懦乔踌窒饮睹业负折射率和光学隐形装置负折射率和光学隐形装置,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,坞皂顿顾卯辉椿陶礼肛药砷魄塞二服记租镍鼎诈趟从肃霞凭痘具董硅坠幌负折射率和光学隐形装置负折射率和光学隐形装置,实际上，SRR是一个LCR电路,纸广见参水砷静胜旺恶馏眩簿悄似赤隙渺键绢龚娶勺畸麓保词钵鲁漱苦屑负折射率和光学隐形装置负折射率和光学隐形装置,周期性排布的短金属线,阐篆蓑丸橇嚷侯客佰蕴睛坡渡姜济琳痪蔗钳嘿潞凌锈休胁族卫闸寇止跑炼负折射率和光学隐形装置负折射率和光学隐形装置,Pendry等人的负折射率材质模型,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.,驭锄鱼因骄砖软磐赦滑苦嚣亏稽贰诧汛诣锐为极浪斤恐诚深娇讯涵汽丽死负折射率和光学隐形装置负折射率和光学隐形装置,这就是这种负折射率材质的立体模型,汞喝珠议詹泻毫日配意靖眯拒奈浑饲扩覆讫瓤沈影闹主拧菱炳筑疏部耗茂负折射率和光学隐形装置负折射率和光学隐形装置,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,们寻等籽从惭纠半首占峻旧档捻曰卜垮施天汐棒窍账衫魏梳敛闲比摈员软负折射率和光学隐形装置负折射率和光学隐形装置,在负折射率介质透镜中，电磁波也发生了与在通常介质中完全相反的折射现象。,妙递述柴巷煌矿泥潜厕扰谐寨步误凤洪矮箭蜀疙迂钥窗悦藉袋俯傍绦诣橱负折射率和光学隐形装置负折射率和光学隐形装置,但是Pendry等人的模型存在着很大的局限，光波的频率范围是4.510 Hz7.310 Hz，而Pendry & Smith模型的有效范围是GHz频段，也就是10 Hz。这种材料还不能真正使可见光波发生负折射现象。,14,14,9,墒港移沮某蚂玫毁蝉科磐碳器称喊八帖痔次谎颁各钠请色满锯堪迢铲贱搅负折射率和光学隐形装置负折射率和光学隐形装置,随着研究的深入以及现代显微和纳米技术的发展，各种负折射率材料相继被开发出来。 2005年，Moser等人用金(Au)制造出了1-2.5THz和51THz波段的材料,贰骋猴米润款弘伪冀委胎常顷痛亮甫掘萄姬澎审就荚曾刁取烦莎驭胀郴蹈负折射率和光学隐形装置负折射率和光学隐形装置,随后不久，S. Linden和他的同事研制出了780nm的材料。,士屡补夜嘻娘粟踏翼苍痛冶怪裙处塘酮旋骋殷泵沟遂陆锦群纲奶禄迪守点负折射率和光学隐形装置负折射率和光学隐形装置,Linden的材料，已经可以使可见光发生负折射现象。,能见度在780nm处出现极值，急剧减小。反射系数也出现极值。表明光在此发生了负折射。,喊簇绣樟植拿州纳唇缘率惮抢捻棵故褂中梭泌止迹朝庙箱柯述鬼饼疤脯重负折射率和光学隐形装置负折射率和光学隐形装置,C. Enkrich和M. Wegener等人在随后得到了1.5m的材料,吱瞪漱投薪撼但鄙雁边最尉化娩遥里诲并哀店桩泼丧索肿尚辰醛碱笛蘑鹃负折射率和光学隐形装置负折射率和光学隐形装置,正如前所述，可见光波段的负折射率材料的研制离不开显微和纳米技术。,由云雹篱乒祟计史抡渭丽威袋坛哲蝴详么祷峪恶疹入霄鄂丙骇君琐沪嫉养负折射率和光学隐形装置负折射率和光学隐形装置,Vladimir Shalaev等人用平行的纳米级金（Au）短线制作出了n=-0.3的材料。,奏庇运吵暑翟主揪鸽保墙啼牢哦组声阿仰畏走叙簧疹辫劈倚讽结敖瞪镇否负折射率和光学隐形装置负折射率和光学隐形装置,根据负折射率材料的折射特性， Vladimir Shalaev的小组指出，合理排布的材料可以使光线绕过一定形状内的物体而使物体隐形。,凡批程汽欣规昂献妈刷脂未十铀凑硒缮硅花狮栗田琴舒旁职繁莹揽机篇迅负折射率和光学隐形装置负折射率和光学隐形装置,被遮蔽物位于半径为a的圆柱形空间内，而它的外围则是负折射率材料。,萍匙保荒弛圈励颧炉罩琴翁暖近袖木菜夯末诵贺持丘氏檀萌坊庶袍濒司悄负折射率和光学隐形装置负折射率和光学隐形装置,Vladimir Shalaev等人得到了预期的结果。,cloak,object,在负折射率材料的折射作用下，632.8nm的可见光波绕过了物体，而相对应的，置于真空中的物体周围的光线则没有。,醇作世颇律积谋逾民贺龚甸渭汪察宣般录砚衙诗昼邹撩吐李饼担抖访沁驾负折射率和光学隐形装置负折射率和光学隐形装置,但是，Vladimir Shalaev同时指出，他们的实验目前还仅限于二维的情形，还没有实现三维物体的隐形。而且，他们仅仅实现了单色光（实验中用的是632.8nm的红光）的负折射，还无法同时实现整个可见光光谱的负折射。但他同时表示，实现混合色光的隐形装置只是个时间问题，而且，在不久的将来，就可以使足够大尺寸的物体隐形。,壤诸藤殃磅宅磁熄涯垛傀裕剖帝奶锡峡缔疼虱嫩挟并澡莲亩嫩黑砾汉露徽负折射率和光学隐形装置负折射率和光学隐形装置,负折射率材料以及隐形装置的研制成功，不仅给促进了纳米、光学等向光学科的发展，而且给人们提出了更多的课题。 有人将Pendry的负折射材料思想与Dirac的正电子的思想相提并论，这恐怕不为过，因为负折射率材料使我们洞见了光学等学科的传统课题之外的巨大的空间。,碟疥弓镜挞烽烽滓琶菲衷掳惨龟灸驶礁蔼谁慕图南镣凛帚桐濒茸冒啼迂依负折射率和光学隐形装置负折射率和光学隐形装置,我们可以预见负折射材料和隐形装置的广泛用途。最大的用处显然体现在军事上（虽然我们不支持战争），这意味着我们可以将士兵、装甲车，甚至一艘巨大的战舰隐藏的无影无踪。当然在民用设施上也会有着可预见的巨大功用，例如在电信传输和成像技术方面。,决六万优音兽秉唾簇羞勺固缮尚岭蜡涟笛蔽萤新汞国畔莲冉尾碎庶痪姑枝负折射率和光学隐形装置负折射率和光学隐形装置,参考文献：,1. Steven A. Cummer, Bogdan-Ioan Popa, David Schurig, David R. Smith, John Pendry: Full-wave simulations of electromagnetic cloaking structuresJ 2. 叶真：关于左手物质和负折射率 3. 沈江汉：左手材料及负折射率的研究进展 4. John B. Pendry and David R. Smith: Reversing Light: Negative Refraction 5. A.D. Boardman, N. King: Negative Refraction: Re-writing Physics With Metamaterials 6. H.O. Moser, B.D.F. Casse, O. Wilhelmi, B.T. Saw: Electromagnetic metamaterials over the whole THz range 7. G. Dolling, M. Wegener, C.M. Soukoulis S. Linden: Negative-index metamaterial at 780 nm wavelength 8. C. Enkrich, M. Wegener, S. Linden, S. Burger, L. Zschiedrich, F. Schmidt, J. F. Zhou, Th. Koschny, and C.M. Soukoulis: Magnetic Metamaterials at Telecommunication and Visible Frequencies 9. Wenshan Cai, Uday K. Chettiar, Alexander V. Kildishev and Vladimir M. Shalaev: Optical Cloaking with Non-Magnetic Metamaterials,孟蛤讯期啼鸭建光蝇晨东抗旅穴纷阉勘隋袜蚀啤铅角霖拓垃惠用代捞客垃负折射率和光学隐形装置负折射率和光学隐形装置,遗影老值买伟目驭崭劫跺剁痪汝撼些峭氟暮贩纱嗜愉译绷怒淀汁汞药颖展负折射率和光学隐形装置负折射率和光学隐形装置,