光子晶体反常多普勒效应的实验验证

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 1.66MB 55 页 15积分

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摘要

目前，随着科学技术的不断发展和深入，新的合成原理和微纳米技术的发

展，使得各种超常物理媒质和新型人工复合材料的制造成为可能，关于各种新型

材料的研究正在世界范围内广泛展开。其中，有关负折射材料(Negative-Index

Material ，NIM)的研究更是成为光学研究领域的热门课题，对固体物理学，材

料物理学的发展具有十分重要的科学意义和实用价值。

光子晶体作为一种具有代表性的人工合成的负折射材料，当然也引起了很多

关注。因为光子晶体在光波频段会发生负折射现象，所以对它的研究有更大的科

学价值。光子晶体作为未来集成光学的基础材料，在光通讯，微波通讯，光电器

件，光电子集成以及国防隐形材料等领域有十分重要的科学价值和极其广阔的应

用前景。

自1968 年，Veselago 首次从理论上提出了负折射材料的概念以后，在学术

界就引起了很大的反响。随后，陆续有科学家对负折射材料的结果及特性展开研

究。目前，对负折射材料的研究主要分为以下两个方面：一是对负折射材料的结

构和性能的改进，旨在发现新的材料，并尽量拓展已有材料的光通带，降低光损

耗；二是对负折射材料的物理特性的研究，旨在对负折射材料理论上所具有的各

种超常物理效应进行实验验证。目前，已经取得重要成果并受到广泛关注的是负

折射现象和“超透镜”现象。但是关于负折射材料的反常多普勒效应和负的切连

科夫效应的研究却少有人涉及。

本文正是基于以上研究的基础之上，紧跟国际光学界的最新进展，对负折射

光子晶体中是否存在反常的多普勒效应进行严格的实验验证。运用晶体学，固体

物理学，光学，电子学，激光多普勒测速技术等多门学科的理论基础，通过严格

的理论分析和公式推导，设计出了一整套完备的测量负折射光子晶体中反常多普

勒效应的实验方案，并对其进行了相应的实验验证。

整个系统采用马赫-泽德干涉原理，使用 10.6μm远红外波段 CO2激光器作

为系统光源，二维空间六角结构的光子晶体作为实验样品，搭建了自动旋转控制

的功率探测系统。通过对光子晶体的负折射功率进行精确探测，确定了光子晶体

样品中存在负折射效应。并在此基础上，采用光学外差原理的方法，测量光束通

Ngeative

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Maeterail

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物理

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反复的

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并对其进行了可行性验证

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-I-

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光子晶体反常多普勒效应的实验验证

通过负折射光子晶体后产生的多普勒频移。通过多次的实验测量和理论计算，验

证了之前的理论假设，因此我们可以得到如下结论：基于 10.6μm远红外波段的

二维负折射光子晶体中，光束通过时会产生反常多普勒效应。这是国内外首次在

实验中观测到了光频段负折射材料中存在的反常多普勒效应。这一结果的发现，

不仅充实了光波频段的负折射材料研究的理论基础，拓展了我们对于负折射材料

的认识，也为今后对基于光波频段的负折射材料的深入研究提供了可靠的参考和

依据，在学术界具有重要的意义。

关键词：负折射材料，反常多普勒效应，光子晶体，光波频段

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第一章绪论

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在

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十分

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ABSTRACT

Recent years, with the new synthetic theory and micro-and nano-manufacturing

technology, it becomes possible to structure the non-exit artificial material and

extraordinary physical medium, and the research of the new materials is widely

develop all over the world, among which the research of the negative-index

materials(NIM), which is also called left-hand materials(LHM), is the hottest filed in

optics. It is very important for the scientific significance and functional value in solid

state physics and material physics.

Of course, as the typical NIM, photonic crystal (PC) has been aroused much

attention. When the light goes though the PC, the negative refraction will be occurred,

so there are much more scientific importance in the research of the PC. The photonic

crystal will be the fundamental material in the future integrated optics, and also it will

have the extremely important scientific value and the extremely broad application

prospect in the optical communication, the microwave communication, the

photoelectric apparatus, as well as national defense and so on.

In 1968, Veselago theoretically carried out the concept of the left-handed

material (LHM), which aroused a great response in the academic filed. After then,

there were a lot of scientists to study the result and characteristic of the NIM. At

present, there are mainly two aspects to research the NIM. One aspect is the

improvement of the negative-index materials’ structure and the performance, which

aims to discover the new type materials, to expand the light band,to minish the loss of

light. The other is the study of the physical characteristic of the NIM, which aims to

verify all kinds of theoretical characteristics, such as negative refraction and perfect

lens, which have made much achievement and attention. However, there are very few

researches of the inverse Doppler Effect and inverse Cherenkov Effect of NIM.

This article is based on the phenomenon of negative refraction to strictly verify

that whether the inverse Doppler Effect exits in the negative-index photonic crystal

prism from the experiment with the theoretical principle of crystallology, solid state

physics, optics, electronics and laser Doppler velocimetry. We have made the strictly

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光子晶体反常多普勒效应的实验验证

theoretical analysis and the repeated deduced, and the designed a complete

experimental precept to measure the inverse Doppler effect of PC.

This experimental system is depended on the principle of Mach-Zehnder

interference. The CO2laser of 10.6μm wavelength is used as a light source, and the

PC of prism-shaped is used as a sample. And the power detection system with

automatic rotation control system is set up to accurate detect the power of negative

refraction through the PC prism and ensure the refraction angle. Then the Doppler

shift can be measured with the method of optical heterodyne. After several

experiments have been tested repeatedly, the results we get are extraordinarily similar:

the inverse Doppler effect really exists in the 2D PC of 10.6μm wavelength . To our

best knowledge, this is the first experimental verification of the inverse Doppler

Effect in the NIM at optical frequencies at home and aboard. This result will be play

very important role in the research of NIM at optical frequencies in the future.

Keywords ：Negative-index material inverse Doppler effect, , PC

prism, optical frequencies

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第一章绪论

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摘要 ................................................................................................................................I

ABSTRACT ................................................................................................................ III

目录.................................................................................................................... V

第一章绪论............................................................................................................. 1

§1.1 引言............................................................................................................ 1

§1.2 论文的主要内容和安排............................................................................ 3

第二章负折射材料的基本特性及样品制作............................................................. 4

§2.1 负折射材料的基本特性............................................................................ 4

§2.2 负折射材料现象的实验表征方法............................................................ 6

§2.3 二维光子晶体的基本特性和样品制作.................................................... 7

§2.3.1 光子晶体的理论研究方法............................................................. 7

§2.3.2 二维光子晶体样品的制作............................................................. 8

§2.3.3 实验用光子晶体样品的制备....................................................... 11

§2.4 本章小结.................................................................................................. 12

第三章光子晶体反常多普勒效应的实验方案设计............................................... 13

§3.1 多普勒效应的基本原理与应用.............................................................. 13

§3.1.1 多普勒效应的概念........................................................................ 13

§3.1.2 激光多普勒测速技术................................................................... 14

§3.2 反常多普勒效应实验的光路设计.......................................................... 15

§3.2.1 反常多普勒效应实验的基本光路............................................... 15

§3.2.2 反常多普勒效应实验的测量原理............................................... 17

§3.3 实验装置介绍.......................................................................................... 20

§3.3.1 光路系统....................................................................................... 21

§3.3.2 扫描控制系统............................................................................... 22

§3.3.3 数据采集系统............................................................................... 23

§3.4 本章小结.................................................................................................. 26

第四章光子晶体反常多普勒效应实验验证......................................................... 27

§4.1 正常多普勒效应实验.............................................................................. 27

§4.1.1 632.8nm 波长正常多普勒效应实验验证.................................. 27

§4.1.2 632.8nm 波长的正常多普勒效应实验结果.............................. 30

§4.1.3 10.6μm 波长正常多普勒效应实验结果.................................. 36

§4.2 光子晶体负折射效应的实验验证........................................................ 40

§4.3 负折射光子晶体反常多普勒效应实验验证........................................ 40

§4.3.1 负折射光子晶体反常多普勒效应实验结果...................................... 40

§4.3.2 实验误差分析............................................................................... 45

§4.4 本章小结.................................................................................................. 45

第五章总结和展望................................................................................................... 47

参考文献..................................................................................................................... 48

在读期间公开发表论文和承担科研项目及取得成果............................................. 51

致谢............................................................................................................................. 52

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第一章绪论

§1.1 引言

近年来，新的合成原理和微米、纳米制造技术的发展使得构造自然界不存在

的超常物理特性媒质的结构或复合人工媒质成为可能，这些新型材料中一种很重

要的材料是负折射材料（NIM）。负折射材料的研究已经成为近代光学研究领域

的前沿课题。早在 1968 年，前苏联科学家 Veselago[1]就断言存在一种材料，当介

电常数



和真空磁导率



都为负值时，电场强度



和磁场强度



以及波矢



构成

左手关系，并称这种材料为左手材料(left-handed materials，LHM)。同时，他也

指出在左手材料中，电磁波的行为与在右手材料中正好相反，例如光的负折射现

象、负的切连科夫效应、反常多普勒效应等等。当时，由于自然界尚未发现介电

常数和磁导率都为负的材料，以及科研条件的限制使人工制造这一新型材料的想

法无法实现。因此在 Veselago 的预言发表后的 30 年间并未受到很大重视，仅仅

被认为是一种假说而并未得到证实。直到 30 年之后，1998 年英国皇家科学院的

J.B.Pendry[2],[3],[4,][5]等人相继发表文章，从理论上证明了由周期性排列的细金属棒

(Rod)阵列和金属开口谐振环(SRR)组成的人造媒质，通过调整 Rod 及SRR 周期

性尺寸及其大小，可以在一个给定的频率范围内实现等效负介电常数



和负真空

磁导率



。

接着在次年发表文章称理想的负折射材料可以制造完美透镜(perfect

lens)，放大衰减的信息，形成理想的光学成像。这样，一直以来的左手材料的假

说终于可能成为了现实，并由此掀起了一股研究左手材料的热潮。

自Pendry 的文章发表后，陆续有很多研究小组通过实验证实了人工制造的

左手材料会产生负折射现象。2000 年，美国加州大学的 Smith[32],[33]等人根据

Perdry 的理论，利用金属线和 SRRs 组成的结构，首次制作了基于微波波段的，

介电常数和真空磁导率都是负的材料。这是负折射材料研究过程中的一次重要突

破。2001 年，该小组使用这种负折射材料制成的棱镜，首次成功的在实验中观

察到了在 10.2-10.8GHZ 频段下的负折射现象。但美中不足的是，这种结构对电

磁波具有相当大的损耗，并且产生负折射的带宽很窄，很难应用于射频/微波电

路和仪器中。而且，由于磁响应的高频截止特性，使得这种材料很难向光波频段

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摘要目前，随着科学技术的不断发展和深入，新的合成原理和微纳米技术的发展，使得各种超常物理媒质和新型人工复合材料的制造成为可能，关于各种新型材料的研究正在世界范围内广泛展开。其中，有关负折射材料(Negative-IndexMaterial，NIM)的研究更是成为光学研究领域的热门课题，对固体物理学，材料物理学的发展具有十分重要的科学意义和实用价值。光子晶体作为一种具有代表性的人工合成的负折射材料，当然也引起了很多关注。因为光子晶体在光波频段会发生负折射现象，所以对它的研究有更大的科学价值。光子晶体作为未来集成光学的基础材料，在光通讯，微波通讯，光电器件，光电子集成以及国防隐形材料等领域有十分重...

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