光子超材料

2021-04-20 16:35:06 浏览:501

定义

具有特殊光学性质的纳米结构材料。

光子超材料是人造的包含纳米结构的材料,特殊结构赋予了其特殊的光学性质。它们的结构有至少两种不同的材料得到(通常包含金属和介电材料)。材料的结构通常是周期性的,并且周期小于光波长。因此,其特殊光学性质不是由光子带隙产生的,而是由类似于与普通固体材料中离子或原子的相互作用产生的。与光子带隙材料不同的是,光子超材料与普通材料一样可看做是均匀光学材料,但是其材料参数与普通材料不同。例如,一些超材料的相对介电常数ε小于0,或者相对磁导率 μ小于0. 也有的材料的 ε不为0。这些性质会产生很特殊的波传播现象,例如负折射或者传播过程中的相位延迟非常小。

常见的一种类型为电磁超材料,可以在不同频率范围起作用。已经实现了微波范围的这种材料,即波长远大于光学范围,因此制备亚波长材料较容易。光子超材料较难制备,但是自2000至今,在这一领域已经得到了很大的发展。

包含纳米谐振腔的结构

光子超材料通常包含一些金属纳米电磁场谐振腔,尽管从其结构的形状可能不明显。早期的方案是从微波领域发展过来的,采用的是开口谐振环(图1)。可看做简化的LC回路,这里非闭口的金属环取代了电感,打开金属环就形成电容器。谐振腔通常具有矩形结构或(当开口变大时)像马蹄铁。谐振腔的共振发生在中红外区域(波长为几微米),并且其带宽变为只有几百纳米。也可能在不同频率会发生多个共振,通常最低频率的共振是实际中需要用到的。

图 1 光子超材料的一层,金属纳米谐振腔制备在非导电(介电材料)衬底上。当入射光与所示平面垂直时,可以激发共振,产生特殊的传播效应

可以采用光刻方法制备金属-介电材料混合物。常用的金属是金。银更适宜于高频应用,但是由于其易被氧化,所以比较难加工。

一些实验只采用以上所示的单层材料。三维结构可以由上面的单层材料在竖直方向上叠在一起得到,周期同样需要小于光波长。

当光入射到纳米谐振腔时会激发电磁场振荡。当频率接近共振频率时,激发效应尤其强,但是有时更关心的是大于或小于共振频率时发生的光学效应。由于结构的周期小于一半的光波长,因此不存在光子带隙效应,描述光的传播可以采用光子超材料的有效相对介电常数ε和有效相对磁导率 μ。(即使不采用磁性材料,后者也可能不等于1.)另外,还需要引入双各向异性参数 ξ来描述电场强度E与磁场密度B,或者磁场强度H与电位移D之间的耦合。由于开口谐振腔环中电场会诱导产生环路电流,产生磁场,然后磁场也会诱导电流产生电场,这就是耦合过程。改变结构可以使ξ 由于存在对称性而等于0。

还有一些简单的谐振腔形式,有的只包含一些周期性排列的短线,或者一些其它形状的金属片。这些形式可以应用到更短波长的应用中,可以达到可见光谱中的红色区域。有的超材料结构中整个金属都是通过电连接在一起,而不是如上所述的孤立的纳米谐振腔。还有些结构由三维模块组成的,例如一些短的螺旋线(螺旋天线),该线是对圆偏振光方向敏感的。这些三维结构可先在聚合物材料中直接激光写入,再结合后续的加入金属部分的过程就可以制备得到。

超材料特殊的光学性质

上面已经提到,超材料的光学性质可由介电常数 ε和磁导率μ来描述,有时还需要额外的双各向异性参数 ξ。正常的光学材料μ约等于1,但是超材料中μ的数值完全不同,尽管超材料通常不包含铁磁材料。

以上的三个参数都与频率有关,并且与光的传播方向和偏振态无关。另外,这些参数不一定为实数(有些结构中,ξ在任何频率下都为0)。一般超材料中的光学损耗都不能忽略(尤其是高频情况),导致ε和μ的虚部很大。

折射率的大小由下面的方程决定:

当为实数ε和μ,并且假设 ξ = 0,折射率n是实数,但是可正可负。折射率的正负号是为了区分根据斯涅耳定律,在光学界面处折射光束的方向。

材料的阻抗为:

由于阻抗与 μ / ε有关,而折射率与μ • ε有关,两个介质折射率相同不一定具有相同的阻抗。(正常的光学介质中折射率决定了阻抗,μ约为1.)类似的,两个介质阻抗相同也可能具有不同的折射率。这在光反射中会用到,因为光学界面处反射光的大小与阻抗有关。例如,在真空与μ = ε = −1的介质界面处不会发生反射,尽管折射率有+1变为-1,但是界面两边的阻抗是相同的。

下面主要讨论具有某些具体关系性质的光子超材料。

负折射率材料

当ε和μ都小于0,并且ξ为0,可以在真空和超材料界面处看到负折射现象。(双各向异性材料有ξ ≠ 0,负折射材料中也会存在[15].)如图2所示,折射光束并不是位于常规的一侧。由于折射率小于0,改变了斯涅耳定律角度的符号。

图 2 光束从真空射向负折射率材料(右图),介质中的折射光与入射光在发现的同一侧。这与寻常正折射率材料(左图)正好相反。图中没有画出反射光束

负折射材料还具有其它不寻常的光学性质。特别是,折射光束的相位波前是朝着界面传播的,即与能流的方向相反(用坡印廷矢量表示)。坡印廷矢量表示为E × H,但是此时B的方向与H相反,因此坡印廷矢量与矢量的方向是相反的E × B。(这里大写字母都是表示的矢量形式。)因此,这一材料也被称为左手材料(LHM):即需要根据左手定则从E和B得到坡印廷矢量。“左手”会与下面提到的手性现象有关。

由负折射率材料制作的凸透镜会使光散焦,而不是像传统的凸透镜可以聚焦光束,负折射率凹透镜可以聚焦光束。如果折射率为-1,甚至可以得到超透镜,可到物体的像的分辨率不受衍射的限制。以上性质只有当折射率严格接近-1时才能得到[5],而需要足够接近的程度在应用中也非常不切实际。可以采用一种改进的方案得到超透镜[3,6],其中物体距透镜的距离需要足够小。另外不采用折射率材料也可以实现超透镜。

如果在负折射率超材料中加入一些物质可以得到很多特别的效应。根据物质在介质中的位置,在材料外面看可以看到其被放大了或者发生了畸变。还可以制作隐身装置(隐身衣),该装置可以隐藏物体,不过只能在某些特定频率范围内实现隐身。

手性介质

上面提到有些超材料包含金属螺旋纳米线。这些材料具有一定的手性,不同方向的圆偏振光产生的光学效应是不同的。可以设计超材料使其强烈吸收某一方向圆偏振光,而对另一方向的圆偏振光几乎完全透射。这一装置称为圆偏振器。该现象不需要折射率小于0。

工作于短波长的困难

当工作在短波长(例如可见光区域)时遇到的第一个困难是需要制备非常精细的结构,其周期要小于光波长。有些光刻技术可以满足制备条件,可以采用更短的波长制备,或者实现亚波长分辨率。而直接激光写入则不能达到要求。这些制备方法的速度受制于每一部分所需的时间。

更多的限制来自于材料本身的性质。尤其是,几乎没有导体能工作在几百太赫兹的频率时。因此,通常的装置在很高频率时光学损耗很高。

参考文献

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[19] A. Poddubny et al., “Hyperbolic metamaterials” (review paper), Nature Photon. 7, 948 (2013)

参阅:折射率

基础光学

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