1、第十一章第十一章 光电光电“超材料超材料”（metamaterials）什么是“超材料（metamaterials）”？n定义：定义：具有天然材料所不具备的奇异物理性质的具有天然材料所不具备的奇异物理性质的人工材料。人工材料。n实例：光子（电磁波）带隙材料实例：光子（电磁波）带隙材料 “左手左手”材料材料 超磁性材料超磁性材料n通常是具有新奇结构的复合材料；通常是具有新奇结构的复合材料；n具有超常的物理性质；具有超常的物理性质；n建立在革命性的物理概念基础上；建立在革命性的物理概念基础上；n具有新颖的应用前景。具有新颖的应用前景。“超材料（metamaterials）”的特点基本设计思想n通过
2、各种层次的有序结构实现对各种物理量的调制，从而获得自然界中在该层次上无序或无结构的材料所不具备的物理性质。n自然界中物质的有序主要存在于原子层次原子的有序排列形成晶体，进而产生一些无定型态所不具备的物理特征。n依此类比，在其它层次上的有序排列则可能获得一定程度的自然界中的材料所不具备的物理性质。“超材料”设计路线基本原理研究方法设计空间已有材料n半导体超晶格n光子晶体n“左手材料”n超磁性材料n声子晶体与声学超结构n有序天线基板n。实例：“超磁性”材料光子晶体光子晶体什么是光子晶体？几个基本概念n光子能带：光子能带：电磁波在由不同介电材料组成的周期性电磁波在由不同介电材料组成的周期性的结构中传
3、播时，同半导体中的电子一样，也会形成的结构中传播时，同半导体中的电子一样，也会形成能带结构能带结构-光子能带。光子能带。n光子能隙：光子能带之间可能没有重叠，这样，也会光子能隙：光子能带之间可能没有重叠，这样，也会形成同半导体一样的能隙形成同半导体一样的能隙-光子能隙。频率落在光子光子能隙。频率落在光子能隙中的电磁波是禁止传播的。能隙中的电磁波是禁止传播的。n光子晶体：具有光子能隙的介电材料构成的周期结构光子晶体：具有光子能隙的介电材料构成的周期结构分析：介电常数变化介质中光的传播分析：介电常数变化介质中光的传播一维周期结构：最简单的情形一维周期结构：最简单的情形光子带隙的形成光子带隙的形成发
4、展历程发展历程二维光子晶体的中的光子带隙二维光子晶体的中的光子带隙三维光子晶体的中的光子带隙三维光子晶体的中的光子带隙三维光子晶体的态密度三维光子晶体的态密度光子时代的半导体光子时代的半导体光子带隙材料与半导体的比较光子带隙材料与半导体的比较 Photonic Crystal Semiconductor Periodicity Character:Refractive index Electrical potential Period Size:Optical wavelength DeBroglie WavelengthEigen equation:Maxwells equation Sch
5、rodingers equationDispersion Relation:Kph E Ke应用领域n无损耗波导及各类分光光路无损耗波导及各类分光光路n无损失反射镜无损失反射镜n零阈值激光器及光学微腔零阈值激光器及光学微腔n光（电磁波）晶体管光（电磁波）晶体管n低阈值全光开关低阈值全光开关n光（电磁波）放大器光（电磁波）放大器n光子晶体光纤光子晶体光纤n微波天线基板微波天线基板 从理论上讲，通过设计光子（电磁波）带隙结从理论上讲，通过设计光子（电磁波）带隙结构，可以获得几乎任何我们所需要的光（电磁波）功能构，可以获得几乎任何我们所需要的光（电磁波）功能 能够使各类光学元器件集成到一起能够使各类
6、光学元器件集成到一起 无损耗波导及各类分光光路无损耗波导及各类分光光路光子晶体WDM光子晶体光纤n可以在很大的频率范围内可以在很大的频率范围内支持光的单模传输；支持光的单模传输；n光纤允许改变纤芯面积，光纤允许改变纤芯面积，以削弱或加强光纤的非线以削弱或加强光纤的非线性效应；性效应；n可灵活地设计色散和色散可灵活地设计色散和色散斜率，提供宽带色散补偿。斜率，提供宽带色散补偿。光子晶体光纤可以把零色光子晶体光纤可以把零色散波长的位置移到散波长的位置移到1 以以下。下。光子晶体表面发射激光器全光开关与晶体管光晶体管原理微波调制器件天线基板“反反OPAL”结构结构PLZT陶瓷的制备陶瓷的制备Mono
7、disperseMonodisperse colloidal suspension colloidal suspension of polystyrene of polystyrene microspheres microspheres Colloid crystal Colloid crystal(fccfcc)of)of polystyrene polystyrene microspheres microspheres PLZT precursor gel PLZT precursor gel infilled infilled polystyrene polystyrene micros
8、pheresmicrospheresSelf-assemblyInfiltrating PLZT precursor into the voids of the colloid crystal and drying SinteringCeramic PLZT inversed OPAL Ceramic PLZT inversed OPAL“反反OPAL”结构结构PLZT陶瓷的形貌与结陶瓷的形貌与结构构I feel that you have made an excellent advancement in art and science of forming photonic crystal.
9、-David W.Johnson Jr.“反反OPAL”结构结构PLZT陶瓷的透射与反射光谱陶瓷的透射与反射光谱“反反OPAL”结构结构PLZT陶瓷的透射与反射光谱陶瓷的透射与反射光谱在片式电感阵列基础上的微波带隙结构在片式电感阵列基础上的微波带隙结构微波传输谱2G3G4GFrequency(Hz)1 layer 2 layers 5 layers 7 layers 9 layers六角型矩阵的设计与制备（a）设计阵列图案 （b）流延得到的基板光学照片微波传输谱（1）a)b)c)d)e)2G3G4G2G3G4G aFrequency(Hz)b c d e 不同测试角度的微波传输谱微波传输谱（2
10、）2.0G2.5G3.0G3.5G-36-34-32-30-28-26-24-22-20-18 Y Axis TitleFrequency(Hz)hexagon array2G3G4G 0 circlesFrequency(Hz)1 circles 1.5 circles 2 circles 2.5 circles 3 circles 3.5 circles 4 circles6 circles 8 circles 10 circles带隙结构 左手材料什么是左手材料n在一定的电磁波频段同时具有负介电常数和负磁导率的材料系统。n颠倒了电磁波传播过程中电场、磁场和传播方向所应遵循的“右手定则”。
11、基本设计思想0222jiijljjlkkkc色散方程：在一个各向同性的物质中可写成：2222nck 1967年，前苏联Veselago首次了在同时具有负的介电场数和负的磁导率的材料 如果我们不考虑损耗，认为和 都是实数，则如果和 同时反号则对于这种关系没有影响。“逆行波”n电磁波传播的能量是由坡印亭矢量表示 HEcS4 在一般的材料中，S与波矢k具有共同的方向，即电磁波的能量传输方向与相位传输方向相同 在左手材料中，S与波矢k具有方向相反，表明能量的传输方向与相位的传输方向相反。反常多普勒效应n多普勒效应：在正常材料中，固定波源发出的电磁波，当接收器做接近波源的运动时，所接收的波的频率高于波源
12、发出的电磁波的频率；反之，如果接收器做远离波源的运动时，波源接收的电磁波的频率将小于波源发出的电磁波的频率。n在左手材料中，固定波源发出的电磁波，当接收器做接近波源的运动时，所接收的波的频率低于于波源发出的电磁波的频率；反之，如果接收器做远离波源的运动时，波源接收的电磁波的频率将高于波源发出的电磁波的频率。负折射率性质理想透镜能否存在负介电常数和磁导率？能否存在负介电常数和磁导率？)(4)()(0022222xxjcixEcxxE一维电流当材料参数恒定时)(002),(txxnkiejcZtxEnZ其中 当介电场数与磁导率的乘积为正实数时，有两种可能的解，在n0的解中，电磁波不是朝远离源的方向
13、运动而是朝向源的方向运动。负介电常数的实现Materials have negative permittivity slightly below the plasma frequency,which is typically in the visible spectrum in metals:Periodic lattice of wires has reduced electron density,increased effective mass due to self induction p 10 GHzJ.B.Pendry et al,Phys.Rev.Let.76,4773(1996)
14、负磁导率的实现Create magnetic resonance with nonmagnetic materialsUse split ring resonator to get capacitive-inductive resonanceStrong resonance gives negative J.B.Pendry et al,IEEE Trans.Microwave Theory Tech.47,2075(1999).SSR左手材料R.A.Shelby et al,Science 292,77(2001).基于传输线理论的左手材料传统的传输线模型 左手材料中的传输线模型 光子晶体中
15、的电磁波“左手性质”特殊晶体介面导致的“左手现象”Images of light propagation in a YVO4 bicrystal showing total refraction.Furthermore the material is amphoretic:it can refract in a positive or a negative way.The upper panel shows an example of abnormal(negative)refraction,the lower panel shows an example of normal(positive
16、)refraction.Note that no reflection is visible at the bicrystal interface to the naked eye.The green light ray has a wavelength of 532 nm,while the blue ray has a wavelength of 442 nm.基于多层陶瓷工艺的基于多层陶瓷工艺的LHMn传输线理论为基础nLC阵列结构n小型、集成，易于器件化n与LTCC技术相兼容设计方法设计方法dCps021dLps02120CC 由色散关系得到：0041CLfbdZCvfc00121 设
17、计参数设计参数 L1.6nH C=0.095pF 由色散关系得到左手材料的频率范围是9G11.3GHz在10G下4.0eff 96.0eff n0.62 243Z基体材料采用低介瓷介电常数5。设计方案设计方案v实现上述结果，采用流延工艺需要3张丝网，其中两张与制备电感阵列工艺相同。另一张如下图。其中电容由两个线间的电容充当。最后这张丝网印在最上面一层，作为传输线及电容。图中结构单元中的黑色线圈代表下层电感。此外，我们将调整样品厚度希望可以得到左手材料的性质。烧结后的样品烧结后的样品 性能测量性能测量v测量方法：在二维平面内移动探头每一步间距2mm（如图通过坐标纸来标记移动距离）。通过网络分析仪
18、测量每一点的S21参数。测量的频率范围是4GHz18GHz。然后将不同点在同一频率下S21参数的相位量按点的位置分布画出样品表面的电磁场的相位分布。测量结果测量结果（1）场分布测量可以应用的范围1357911131517192123135791113151719212325272931position X Axis(0.2mm per unit)position Y Axis(0.2mm per unit)-1.570-0.75360.062800.87921.570 1357911131517192123135791113151719212325272931position x axis(0
19、.2mm per unit)position Y Axis(0.2mm per unit)-1.570-0.75360.062800.87921.570 图4 场分布的测量范围 （a）4GHz下的场分布（b）13GHz下的场分布（其中不同颜色表示不同的相位，相位的变化是180180（即1.571.57弧度）测量结果测量结果(2)负折射率的现象v 我们在11GHz附近区域内得到左手材料现象与在10GHz附近得到右手材料现象进行比较。1357911131517192123135791113151719212325272931kPosition X Axis(0.2mm per unit)Posit
20、ion Y Axis(0.2mm per unit)-1.570-0.75360.062800.87921.570 1357911131517192123135791113151719212325272931Position X Axis(0.2mm per unit)position Y Axis(0.2mm per unit)-1.570-0.75360.062800.87921.570（a）（b）图6 左手材料场分布与右手材料场分布比较。（a）11.5GHz下左手材料场分布 （b）10GHz下右手材料场分布 测量结果测量结果(3)其他现象v 除了以上频段中，我们得到了左手材料的性质与右手
21、材料的性质外，我们还对设计结构在4GHz-13GHz范围内的其他频段的场分布进行了分析。从相位的场分布中得到一些比较复杂的现象。1357911131517192123135791113151719212325272931Position X Axis(0.2mm per unit)Position Y Axis(0.2mm per unit)-1.570-0.75360.062800.87921.570图7 8.3GHz下场分布负折射率与微波带隙的关系101112131415161718-40-35-30-25-20mag(dB)freq(GHz)结束语 “超材料”这一新的观念尚未被学术界（特别是材料学界）完全接受，但作为一种材料设计理念，已开始为越来越多的学者所关注。更为重要的是它的出现会给人们的世界观层面上带来的冲击，昭示人们可以在不违背基本的物理学规律的前提下，人工获得与自然界中的物质具有迥然不同的超常物理性质的“新物质”。迄今发展出的“超材料”系统多与电、磁、光性质相关联，为信息元件的新突破提供了一个新契机，因此值得我们关注。
