10.6微米波段负折射率材料棱镜实验验证

3.0 牛悦 2024-11-07 27 4 10.82MB 61 页 15积分

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10.6 微米波段负折射率材料棱镜

实验验证

摘要

折射现象是物质重要的光学特性，迄今为止发现的自然界存在的物质都具有

正的折射系数。但苏联物理学家 Veslago 于1968 年提出了左手物质的概念，并预

言了这种材料可能具有的奇特性质，如反常 Doppler 效应、反常 Cerenkov 辐射、负

折射效应，还可以用这种材料实现理想成像即实现完美透镜。由于这种材料显著

的特性表现为折射率为负值，所以也被称为“负折射率材料”。负折射率材料的

发现被认为是 2003 年度十大科学突破之一，是当前物理和电磁学研究领域中的前

沿和热点问题。回顾负折射率材料的研究历史，最初的研究大都集中在微波波段

实现负折射率材料，采用金属谐振腔或者传输线来实现。但是采用金属谐振腔和

传输线所实现的负折射材料在微波波段都具有很高的损耗。而使用介电质材料制

作的光子晶体在光波段可能具有较小的损耗，成为负折射率材料的一个重要研究

方向。

本论文首先研究了负折射率材料的国内外研究现状，阐述了负折射率材料的

原理及其独特特性，分析了负折射现象的三种表征方法，并总结了负折射率材料

的应用和前景。

论文着重研究了光子晶体负折射率材料的实现，并制作了光子晶体负折射率

材料棱镜。根据棱镜折射原理建立了光子晶体负折射率棱镜实验验证系统，构建

了用于探测负折射现象的三维控制系统。对实验探测结果进行分析，证明了我们

所设计的光子晶体负折射率材料在波长 10.6 微米条件下能够产生负折射现象。这

是国内最早由二维光子晶体在光波波段实现负折射的实验。

本论文在以下方面实现了创新：

（1）以半导体材料 Si 为基础研制了光子晶体，能够在光波段实现负折射。

（2）设计了空间三维探测系统，可以调节探测的距离和探测的角度。

关键词：负折射率棱镜折射实验光子晶体三维探测系统

Abstract

Refractive index is a very important characteristic of material. One beam is bond to be refracted

When it incidents to the interface formed by two dielectrics which have different refractive index.

All natural materials have positive refractive index. In 1968, but Veselago introduced the concept of

left-handed materials, and predicted that the materials may have strange properties, such as inverse

Doppler effect, abnormal Cerenkov radiation , negative refraction effect, perfect lens effect and so

on. Because one of the most notable characteristics of this kind of materials is negative refractive

index, they are also named negative index of refraction materials. The discovery of negative index of

refraction materials has been regarded as one of the ten most significant discoveries in science

community in 2003, and has become the front and focus area in Physics and Electromagnetic

research field. Recalling the history of negative refractive index materials, most of the initial

research focused on to make negative index of refraction materials in microwave frequencies by

means of metal resonator or transmission line. But negative index of refraction materials made by

metal resonators or transmission lines have high losses in microwave band. And because photonic

crystals made by dielectric materials may have smaller losses in optical band, they become an

important research direction.

First, this paper studies the research situation of negative index of refraction materials at home as

abroad, expounds the principles and the unique characteristics of negative index of refraction

materials, analyzes the three methods of how to represent the phenomenon of negative refractive

index, and sums up the application and outlook of negative index of refraction materials.

The paper puts emphasis on how to make negative index of refraction materials by means of

photonic crystals, and describes the method of making prism of photonic crystal negative index of

refraction materials.

Subsequently, according to the principle of prism refraction, we set up an experimental system to

verify the negative refractive phenomenon, and establish a three-dimensional control system to

detect the negative refractive phenomenon.

Finally, the paper analyzes the detection results. The experiment proves that when one beam

whose wavelength is 10.6 microns incidents the prism, it makes negative refraction effect. The

success of this experiment supplements the research of negative index of refraction materials, and

enlarges negative index of refraction materials into light wavelength band.

Key word: negative index of refraction, prism refractive

experiment, photonic crystal, three- dimensional control system

目  录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论............................................................................................................................................1
§1.1 引言......................................................................................................................................1
§1.2 论文的内容安排.................................................................................................................3
第二章 负折射率材料的原理...............................................................................................................5
§2.1 负折射率材料的概念.........................................................................................................5
§2.2 负折射材料的特性.............................................................................................................6
§2.3 负折射现象的表征方法...................................................................................................11
§2.4 Smith 等人的棱镜折射实验.............................................................................................13
§2.5 负折射率材料的应用及展望...........................................................................................16
第三章 光子晶体负折射棱镜的制作.................................................................................................19
§3.1 实现负折射率材料的现有方法.......................................................................................19
§3.1.1 由周期排列的 SRRS 和金属线构成的阵列.......................................................19
§3.1.2 应用传输线实现负折射率材料...........................................................................19
§3.1.3 利用光子晶体实现负的折射现象.......................................................................21
§3.2 光子晶体负折射率材料棱镜的设计...............................................................................27
§ 3.2.1 平面波展开法（PWE）计算光子晶体能带结构.............................................28
§3.2.2 时域有限差分法（FDTD）对光波传输情况的分析........................................30
§3.3 二维光子晶体负折射率棱镜的加工制作.......................................................................35
第四章 负折射棱镜实验验证.............................................................................................................41
§4.1 负折射率材料棱镜实验验证系统...................................................................................41
§4.1.1 实验验证系统简介...............................................................................................41
§4.1.2 CO2激光经过聚光镜后的功率密度计算...........................................................42
§4.1.3 光阑受热后的辐射频谱分析........................................................................................46
§4.2 三维控制系统...................................................................................................................48
§4.2.1 三维控制系统的硬件构成...................................................................................48
§4.2.2 控制程序的实现思路...........................................................................................49
§4.2.3 控制程序的实现方法...........................................................................................51
§4.2.4 消除探测器响应时延的方法...............................................................................53
§4.3 实验结果及数据分析.......................................................................................................54
第五章 论文总结..................................................................................................................................59
参考文献...............................................................................................................................................61
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果..................................................................65
致谢.......................................................................................................................................................67

第一章绪论

§1.1 引言

折射是光学中最基本的现象。当一束光经过两个不同材料的交界面时，就会

出现折射，它的传播方向取决于两种材料的折射率之差。众所周知，自然界中存

在的材料都具有正的介电常数和正的磁导率，这些材料都具有正的折射率。但是

在1968 年，前苏联科学家 V.S.Veselago[1]曾对电磁波在介电常数和磁导率同时为

负数的媒质中的传播特点作过理论研究，并断言，平面电磁波在一个同时具有负

介电常数和负磁导率的媒质中传播时，其传播方向（波矢方向）与能流方向相反

该结果不是从波动方程得到的，因为在无源情况下该方程保持不变，而是从单独

的Maxwell 旋度方程得出的。电场的旋度方程为电场矢量、磁感应强度和波

矢三者的方向提供了明确的右手(RH)规则。然而，能流方向由（）提供，

仅在磁导率>0 时才形成右手系统。当<0，波传播方向将反转，这时、和

三者形成左手系统关系。Veselago 称这种材料为左手材料(left-handed

materials，LHM)。这种左手材料与自然界中的右手材料相比，具有许多异常特性，

例如负折射、异常的多普勒效应和切连科夫辐射等。由于左手材料的显著特点是它

的介电常数和磁导率都是负数，所以有人也称之为“双负介质(材料)”，通常也

被称为“负折射系数材料”、“负折射率材料”，或简称“负材料”。在本文中，

我们使用“负折射率材料”这个术语。由于自然界中没有发现介电常数和磁导率

同时为负数的材料，所以 Veselago 的理论研究结果在 20 世纪一直没有得到实验验

证。

负折射率材料具有的许多异常电磁特性将可以应用在制造具有优良微波或光

学特性的通信、雷达和无线电功率传输装置等方面，尤其是光频段的负折射率材

料还可用于三维成像以及制造出超越衍射极限的透镜[2]，这就使得负折射率材料

在未来的芯片制造业中也将具有极其重要的地位。正是由于这些极其重要的应用

人们并没有完全忽略 Veselago 的研究结果。1996~1999 年，英国物理学家

Pendry[3~5]等人相继提出了用周期排列的金属条和金属谐振环可以在微波波段产生

负等效介电常数和负等效磁导率。在此工作基础上，美国加州大学圣迭哥分校

Shelby、Smith 和Schultz 开始着手建立负折射率材料，利用周期排列的细直金属

条和双裂隙环构成的阵列，在世界上首次实现了频率范围约为10.2~10.8GHz 下的

负折射率材料的实验证明[6]。随后，国内外众多科学家进一步从理论和实验上开展

了关于负折射率材料的研究，并且产生了激烈的争论。

在S.Foteinopoulou 等人[7]对电磁波（EM）在正、负折射率材料交界面处的负

折射过程的研究中，所采用的负折射率材料是经适当选择的光子晶体。他们使用

FDTD（Finite-difference time-domain）模拟了电磁波入射到交界面处时的随时间

演变情况。通过计算机模拟，S.Foteinopoulou 等人发现对于负折射率材料，入射光

最终会朝负方向折射。而且，更令人感兴趣的是，当光线到达交界面时，光线并

不是立即朝最终的折射方向传播，而是整个波前都会在一个相对较长的时间内逗

留在交界面，经过这个暂时时间延迟后，电磁波将重组，然后开始朝最终的负折

射方向传播。最终的负折射传播方向是对于负折射率材料在稳态时的传播方向。因

此，由真空(n=1)和具有负折射率的光子晶体的交界面就好象是一个强谐振散射中

心，该中心在逐渐再发射电磁波前先暂时将电磁波陷在里面。根据模拟结果，

第一章绪论

S.Foteinopoulou 认为，内部光线和外部光线到达交界面时的时间差解释了P.M.

Valanju[8]等人所指出的外部光线比内部光线的传播速率快的矛盾。

2003 年，麻省理工学院的Andrew A.Houck 等人[9]分别用具有正折射率的聚四

氟乙烯和负折射率材料（由金属双裂隙环与细直金属条阵列构成）做成两个契形

样品，使用不同的入射角，对比研究了它们的折射情况，进一步表明负折射率材

料一定存在。

现在，我国科学家也开始了有关负折射率材料的研究，如北京广播学院的黄

志洵教授[10]首先关注了负折射率问题，中国科学院电子学研究所的隋强等人[11]利

用周期排列的细直金属条和双裂隙环构成的人造金属媒质进行了实验和分析。在

国家自然科学基金的资助下，浙江大学孔金瓯教授也开始了负折射率材料研究，

但是他们的工作主要基于微波频段的负折射率材料研究，我们要进行的主要是光

波频段负折射率材料的研究。

目前，已报道的负折射率材料主要有三种。第一种是由周期排列的细直金属

条和双裂隙环构成的阵列[6]，第二种是使用 L-C 高通结构单元构成的分布式 L-C

网络模型以及 LC 加载传输线网络法[12] ，第三种是结构经适当选择的光子晶体

[13,14]。在这三种负折射率材料中，前两种均只有在一定的微波频段下具有负折射率

特性，并且已经得到了实验证明。目前，理论上已经证明光子晶体在光波段范围

内可能具有负折射率的特性，但是尚未给出实验验证。

负折射率材料的存在已得到了越来越多的科学家的支持[15-17]，但是它的应用

仍然面临着许多问题需要解决。因为对于实际的应用器件，要求电磁波通过负折

射率材料时具有尽可能低的损耗，但是在最近的实验中所使用的负折射率材料都

具有很高的损耗。而光子晶体，由于可以使用电介质材料制作，在光波频段下，

可能具有很小的损耗。因此，基于光子晶体的研究将是负折射率材料研究的一个

重要方向。

基于上述分析，开展负折射率材料的基础研究特别是适用于光波段下的负折

射率材料具有重要的科学意义和实际应用效益，符合科学研究发展的趋势，是目

前物理学界的前沿性课题。对负折射率材料的研究将会为我国将来掌握及应用这

一新型材料打下坚实的基础，而且由于此类课题是一种新兴研究，通过我们的努

力有可能使我们与国际上的先行者站在同一行列，这对我国在这一领域的发展和

将来新材料的应用都具有重要的意义。

§1.2 论文的内容安排

负折射率材料作为一种新型材料，受到越来越多的关注。目前，国内外对于

负折射率材料的研究大部分都集中在微波波段的负折射率材料的研制，至今未看

到光波段的实验验证报导。本论文总结和研究了负折射率材料的历史和进展情况

研究了负折射率材料的各种实现方法，结合目前我们的实际情况，采用时域有限

差分法（FDTD）研究和模拟了在光波段可能产生负折射现象的光子晶体材料，

采用深反应离子刻蚀的方法制作了光子晶体负折射率材料棱镜，同时建立了光波

段的负折射率材料实验验证系统，对我们制作的负折射率光子晶体样品进行了实

验验证。本论文的结构安排如下：

第一章整体性的介绍了负折射率材料的研究历史和国内外的研究现状，概述

了负折射率材料基础研究的重要科学意义和价值，突出了光波段下的基于光子晶

体的研究将是负折射率材料研究的一个重要方向。

第一章绪论

第二章研究了负折射率材料的基础理论和不同寻常的特性，总结了负折射率

的制备方法，重点研究了利用光子晶体实现负折射的方法，描述了负折射现象的

表征方法，并总结了负折射率材料的应用及前景。

第三章从光子晶体的不同研究方法中选择了时域有限差分法（FDTD），利

用FDTD 分析了光子晶体的能带结构和模拟了特殊设计的光子晶体棱镜的负折射

现象，并根据模拟所得的结果采用深反应离子刻蚀技术制作了光子晶体棱镜。

第四章建立了光波段下的负折射率棱镜实验验证系统，搭建了三维控制系统，

编写了控制软件，分析了实验中热辐射干扰对探测结果可能产生的影响；根据实

验探测的结果，分析了探测现象的本质，得出了我们制作的材料确实具有负折射

效应的结论。

第五章对论文的内容进行了总结，并分析了后续的研究中需要进行的改进工

作。

第二章负折射率材料的原理

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摘要：

10.6微米波段负折射率材料棱镜实验验证摘要折射现象是物质重要的光学特性，迄今为止发现的自然界存在的物质都具有正的折射系数。但苏联物理学家Veslago于1968年提出了左手物质的概念，并预言了这种材料可能具有的奇特性质，如反常Doppler效应、反常Cerenkov辐射、负折射效应，还可以用这种材料实现理想成像即实现完美透镜。由于这种材料显著的特性表现为折射率为负值，所以也被称为“负折射率材料”。负折射率材料的发现被认为是2003年度十大科学突破之一，是当前物理和电磁学研究领域中的前沿和热点问题。回顾负折射率材料的研究历史，最初的研究大都集中在微波波段实现负折射率材料，采用金属谐振腔或者传输...

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