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[新材料] 面向红外线的“左手材料” 将成为光通信领域的新旗手

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发表于 2007-8-31 20:36:15 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自: 中国湖南株洲

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面向红外线的“左手材料” 将成为光通信领域的新旗手
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      位于美国印第安那州的普渡大学(Purdue University)全球首次开发成功了在波长1.5μm的红外线区域呈现负折射率的人造介质“左手性特异材料(LHMs:Left-Handed Metamaterials,以下简称:左手材料)”。该大学提交的论文《Negative index of refraction in optical metamaterials》已刊登在光控技术在线学术论文杂志《Optics Letters(光学快报)》上。波长为1.5μm的红外线在光通信领域已被广泛采用。在光通信控制技术方面,此前的研究热点是硅微细线光导波路及光子结晶,而此次LHMs的开发成功,则提供了一种全新的光控方法。 * f1 q  s3 C. d: s
        特异材料(Metamaterials)的目标是利用人造构成要素替代原子及分子、以类似结晶的结构规律来形成的新的传输介质。其中,左手材料的特点是:对通过人造介质传播的电磁波的有效介电率(ε)和有效透磁率(μ)均为负值,结果折射率也呈负值。如果采用这种介质,除了可加工出具有特殊效果(比如焦点精度超过衍射极限等“原来根本不可能”的性质)的镜头外,还可开发出具有前所未有的新特性的天线和滤波器等各种模拟元件。
. }/ i6 }! R! ~; E       “左手性”这一说法的来历是:当ε和μ均为负值时,电磁波的电场E的方向、磁场H的方向,以及波面前进的方向,分别与人的左手大拇指、食指及中指相对应。而传播普通电磁波的物质方面,ε和μ均为正值时,E、H、K的关系就是“右手性”。
& H: M8 |' n* w        一般来说,特异材料的ε和μ的数值对被传播的电磁波的波长有很大的依存性。这样一来,左手材料的性能就会限制在某一特定波长带内。左手材料于1999年首次发现。只能在波长数十cm的特定波长的微波下表现出左手性。最近,可在波长更短的电磁波下表现出左手性的特异材料正在开发之中,此次的红外线LHMs的开发就是其中之一。 0 s9 {5 u5 _$ Z- @" P
       构成要素采用“光LC共振电路”
* h: {# `  W# p' Y  h       作为基本构成要素,此次的LHMs在SiO2介质中以相等间隔嵌入了称为“纳米棒(Nano Rods)”的780nm×220nm的微小金属片(照片)。如果仔细观察该纳米棒,就会发现采用的是在两枚金属片中间夹着SiO2层的粘合构造(从下到下依次为Ti(5nm)/Au(50nm)/Ti(5nm)/SiO2(50nm)/Ti(5nm)/Au(50nm))。论文表示,“当电磁波在两枚金属片之间通过时会产生涡状电流,从而就会生成与电磁波相反的磁场,由两枚金属片构成的双层构造就是凭借这一原理来作为‘光LC共振器(optical LC-circuit)’工作的”。结果,面向红外线的ε和μ就变成了负值。这时的折射率大约为-0.3。
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