负折射率材料对隐失波的幅度增益

分析了隐失波透过负折射率材料制成的透镜时,可以实现相位的调整,从而实现波的聚焦的原理;另外利用叠加原理(干涉法)及场量匹配法分析了负折射率材料如何实现对隐失波的振幅的放大,得到负折射率材料对隐失波有幅度增益,行波和隐失波都能聚焦成像的结论;并利用传输线理论提出隐失波透过负折射率材料平板时可等效地形成一个LC振荡电路,从而实现对隐失波的幅度增益.     

负折射率介质层中光波的相位和传输特性研究

针对在理解负折射率材料中光波的传播特性时相位的特殊性质 ,详细分析推证了负折射率介质中折射率、波矢k的大小和方向、空间坐标系以及波相相位互之间的关系。分析结果表明负折射率介质层中的波矢k的反常取向是由于其标量值为负 ;在统一的坐标系下 ,由该标量值参与数值计算和分析 ,k则由标量值和单位矢量k0 (k0 >0 )共同决定 ,而不必再考虑左、右手系的区别。在此基础上依据电磁场理论推导了光波在负折射率介质层中的传输矩阵 ,用以分析含有负折射率介质层的复杂薄膜系统的光学性质。初步计算结果显示含有负折射率介质层的膜系对TE和TM波的光谱特性都有显著改变     

高斯光束在超常材料界面的反射光束角移研究

利用角谱理论,分别研究了高斯光束在空气与负、近零、超大折射率超常材料界面上的反射光束角移现象,揭示了光束角移与传统古斯-亨兴位移和伊姆伯特-费多罗夫位移的联系与区别。研究发现,光束角移随着折射率及损耗的减小而增大;在负折射率介质界面,角移可能抵消负的古斯-亨兴位移,从而导致光束的纵向位移为正。此外,在近零折射率超常材料界面,在较大范围内不存在横向角移,而在极大折射率超常材料界面,横向角移极小。因此,零折射率和超大折射率超常材料可以用来避免反射光束角移导致的角色散。     

负折射率材料透镜的消色差

以工作在近红外波段0.848 μm～1.114μm,焦距100 mm,入瞳直径20 mm,具有负阿贝数的负折射率平凹透镜为例,介绍了两种对该类负折射率透镜的消色差设计方法,即利用正折射率材料透镜与负折射率材料透镜组合消色差和负折射率透镜中引入衍射光学元件实现折衍射混合透镜消色差方法.结果表明,正负折射率材料透镜组合消色差方法中正折射率材料透镜承担几乎全部光焦度,进而引入大量额外单色像差,但利用衍射光学元件可以在不引入额外像差的同时实现负折射率透镜的消色差.根据负折射率材料在介质与空气分界面的特殊折射特性,推导了以负折射率为基底的衍射光学元件的衍射效率公式,得到衍射微结构高度公式,求出不同波长处的衍射效率值.负折射率二元衍射光学元件在设计波长0.912 μm处衍射效率为40.53％,在波长0.848 μm处的衍射效率为35.06％,在波长1.114 μm处的衍射效率值为39.83％.     

一维含负折射率材料结构中原子的瞬时自发辐射

负折射率材料是一种新型的人工材料，其介电常数和磁导率同时小于零，导致了折射率小于零。当电磁波入射到正负折射率材料的界面上，将会产生负的折射现象。因此单个负折射率材料板能起到能量汇聚的作用。用正负折射率交替排列组成的一维光子晶体能产生不同于通常布拉格带隙的零平均折射率带隙。这种带隙能抑制几乎全方向的辐射，从而能对原子自发辐射产生更强的抑制作用。J．Kastel和M．Fleischhauer最近提出用理想负折射率材料板加上理想反射镜，在适当条件下会完全抑制原子的自发辐射。本文我们考虑在包含实际负折射率材料—有色散和吸收—的一维结构对原子自发辐射的影响。     

含负折射率材料空芯Bragg光纤的束缚损耗特性

将负折射率材料引入到空芯Bragg光纤包层中,形成具有正负折射率介质层交替的空芯Bragg光纤,运用传输矩阵理论对该Bragg光纤的束缚损耗特性进行分析和计算,并与传统的全正折射率介质层Bragg光纤的束缚损耗进行对比。结果发现:在最低损耗方面含负折射率材料的空芯Bragg光纤没有表现出任何优势,但在最低损耗点附近的损耗小于全正折射率介质层Bragg光纤,损耗曲线比较平滑,并且传输波长范围较宽;当空气作为一个介质层的材料时,两种Bragg光纤的束缚损耗特性几乎一致;当减小包层折射率对比时出现了与全正折射率介质层Bragg光纤不同的现象,损耗曲线变的更为平滑,说明传输波长范围变宽了。     

转移矩阵法在负折射率介质材料平板波导中的应用研究

利用严格电磁理论，推导出了适用于负折射率介质材料光波导的转移矩阵，分析讨论了转移矩阵的性质和应用.利用转移矩阵方法，推导出导波层为负折射率介质材料、覆盖层和衬底为右手材料的三层对称介质光波导的本征色散方程.用图解法研究了负折射率介质波导中TE波的异常色散特性.在负折射材料介质波导中没有零阶模，最低阶为1阶模，并且有截止频率,只有波导参量满足一定条件的时候才会存在，导模的横向波数可以为实数和纯虚数，而正折射率介质波导导模的横向波数只能为实数.     

饱和非线性效应对负折射材料中孤子自频移的影响

以描述负折射材料中包含拉曼效应的高阶非线性薛定谔方程为模型,采用分步傅里叶算法数值分析了高阶效应,尤其是饱和非线性效应对自聚焦负折射率材料中的孤子拉曼自频移的影响。结果表明,在自聚焦负折射率材料中饱和非线性效应使孤子拉曼自频移速度加快;饱和非线性效应与负的自陡效应共同作用进一步加快孤子自频移的速度;饱和非线性效应同正的自陡效应、三阶色散效应共同作用时孤子拉曼自频移在整体上受到抑制。     

含负折射率材料的一维光子晶体的光学传输特性

采用光学传输矩阵方法,模拟研究了由正折射率材料和负折射率材料交替组成的一维光子晶体的光学传输特性.计算了这种含负折射率材料的一维光子晶体的透射谱和色散关系.结果表明,在正入射时,含负折射率材料的光子晶体的带隙要比传统的光子晶体要大得多,并具有狭窄的透射带,从光学薄膜理论的色散关系出发解释了形成上述现象的原因.讨论了在不同的偏振模式下,光以中心波长入射时,反射率随着入射角度的变化关系.发现含负折射率材料的一维光子晶体具有更好的角度特性,可以用来实现对中心波长的全方位反射.     

负折射率材料对产生Casimir排斥力的影响

研究了负折射率材料对产生Casimir排斥效应的影响. 两材料板间的Casimir排斥力的发生取决于两板以及其间媒质的电磁特性,通过理论与数值结果的分析研究给出电磁特性所影响排斥力的产生趋势. 对于由Drude-Lorentz型色散关系描述等效介电常数和磁导率的负折射率材料,调节各特征频率参数可实现Casimir排斥效应. 关键词： Casimir排斥力 负折射率材料 Drude-Lorentz型色散关系     

Negative refraction based on purely imaginary metamaterials

By introducing a new mechanism based on purely imaginary metamaterials (PIMs), we reveal that bidirectional negative refraction and planar focusing can be obtained using a pair of PIM slabs, overcoming the unidirectional limit in parity-time (PT)-symmetric systems. Compared with PT-symmetric systems, which require two different types of materials, the proposed negative refraction can be realized using two identical media. In addition, asymmetric excitation with bidirectional total transmission is observed in our PIM system. Therefore, a new way to realize negative refraction with properties that are unavailable in PT-symmetric systems is presented.     

Negative refraction and imaging of acoustic waves in a two-dimensional square chiral lattice structure

The negative refraction behavior and imaging effect for acoustic waves in a kind of two-dimensional square chiral lattice structure are studied in this paper. The unit cell of the proposed structure consists of four zigzag arms connected through a thin circular ring at the central part. The relation of the symmetry of the unit cell and the negative refraction phenomenon is investigated. Using the finite element method, we calculate the band structures and the equi-frequency surfaces of the system, and confirm the frequency range where the negative refraction is present. Due to the rotational symmetry of the unit cell, a phase difference is induced to the waves propagating from a point source through the structure to the other side. The phase difference is related to the width of the structure and the frequency of the source, so we can get a tunable deviated imaging. This kind of phenomenon is also demonstrated by the numerical simulation of two Gaussian beams that are symmetrical about the interface normal with the same incident angle, and the different negative refractive indexes are presented. Based on this special performance, a double-functional mirror-symmetrical slab is proposed for realizing acoustic focusing and beam separation.     

Backward-wave regime and negative refraction in chiral composites

Possibilities to realize a negative refraction in chiral composites in dual-phase mixtures of chiral and dipole particles are studied. It is shown that because of a strong resonant interaction between chiral particles (helices) and dipoles, there is a stop band in the frequency area where the backward-wave regime is expected. The negative refraction can occur near the resonant frequency of chiral particles. Resonant chiral composites may offer a root to realization of negative-refraction effect and superlenses in the optical region.     

光轴平行于界面的单轴手征介质中的负折射研究

研究了光轴平行于界面时单轴各向异性手征介质中实现负折射的条件, 并详细分析了该介质中两个本征波在不同电磁参数和手征参数下折射角随入射角的变化规律. 结果表明, 利用单轴各向异性手征介质实现负折射, 条件更加宽松, 甚至在弱的手征参数下也可能实现负折射, 且在不同的介电常数、手征参数和入射角下, 该手征介质中两个本征波的相折射角存在很大的差异, 在特殊条件下, 某一个或两个本征波不能在介质内传播.     

线偏振光在手征负折射介质中的古斯汉欣位移特性研究

从理论上分析了手征负折射介质中的横向位移特性,给出了线极化波入射条件下发生全反射时的横向位移随入射角的关系曲线。当入射角处于两个本征波的临界角之间时,TE和TM分量对应的横向位移方向相反。而当入射角大于全内反射角时,两个分量都将朝着正方向发生横向位移。通过比较发现手征负折射介质中的古斯汉欣位移特性与常规介质和一般手征介质也有着很大的不同之处。     

All-angle broadband negative refraction of metal waveguide arrays in the visible range: theoretical analysis and numerical demonstration

In this Letter, we introduce a simple metal waveguide array for realizing all-angle wide frequency bandwidth negative refraction from the visible to infrared frequencies. Theoretical analysis from the rigorous coupled-wave theory reveals that the negative coupling constant resulting from the anomalous coupling of guided surface plasmon polariton modes contributes to the negative refraction. The analytical results are confirmed by finite-difference time-domain numerical simulations. Our result provides an alternative way to construct robust all-angle negative refractive materials operating in a wide range of frequency from the near-infrared to the visible range.     

二维光子晶体负折射现象条件及特性研究

结合光子晶体带隙图和等频率线图分析了二维光子晶体中出现负折射现象的条件,得出了负折射现象出现的频率范围.采用有限时域差分法模拟了光在光子晶体界面和内部的传输行为,验证了以上理论所给出的负折射出现的频段,观察到了明显的负折射现象.比较了不同介质、不同晶格结构光子晶体中不同频率的负折射行为.提出一种新结构的六角型二维三角晶格光子晶体分光镜的模型.     

基于矩形谐振环的新型复合周期结构左手材料研究

通过实验及仿真研究了基于矩形谐振环的新型三角形和三矩形开口谐振环金属线复合周期结构左手材料.仿真研究了以金属铜三角谐振环和三矩形谐振环（SRRs）为基本单元的周期结构负磁导率材料,结果显示两种谐振环均能产生很好的谐振效果,即能产生负磁导率;设计、制作并实验和仿真研究了三角谐振环和三矩形谐振环金属线复合周期结构左手材料,实验结果分别在9.5—13.3GHz和9.8—12.5GHz出现良好的负折射效应,与仿真结果具有较好的一致性.该研究对新型周期结构左手材料的研究、设计和研制具有重要的科学意义和应用前景. 关键词： 左手材料 负折射 三角形谐振环 三矩形谐振环     

Experimental verification and simulation of negative index of refraction using Snell's law

We report the results of a Snell's law experiment on a negative index of refraction material in free space from 12.6 to 13.2 GHz. Numerical simulations using Maxwell's equations solvers show good agreement with the experimental results, confirming the existence of negative index of refraction materials. The index of refraction is a function of frequency. At 12.6 GHz we measure and compute the real part of the index of refraction to be -1.05. The measurements and simulations of the electromagnetic field profiles were performed at distances of 14lambda and 28lambda from the sample; the fields were also computed at 100lambda.