零折射率材料電磁特性的仿真實(shí)驗(yàn)研究

郭曉彤 劉美晴 王藝璇 魏果果 高 華

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 數(shù)理學(xué)院，北京 100083)

(1)

其中k是波矢，ωD是Dirac點(diǎn)的頻率。在Dirac點(diǎn)處ω=ωD，

(2)

當(dāng)Dirac點(diǎn)在布里淵區(qū)的中心時(shí)，kx=0，ky=0，所以在該點(diǎn)，光子晶體的等效折射率為0，這一發(fā)現(xiàn)為零折射率材料的實(shí)現(xiàn)提供了一種非常簡(jiǎn)單的途徑。

圖1 介質(zhì)柱正方晶格光子晶體布里淵區(qū)中心處出現(xiàn)Dirac錐的能帶結(jié)構(gòu)圖

仿真實(shí)驗(yàn)是物理實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要組成部分，也是現(xiàn)代教育信息化建設(shè)的一大亮點(diǎn)，其重要作用及特色就是可以模擬自然界中難以獲得的危險(xiǎn)、極端等實(shí)驗(yàn)條件，把傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室無(wú)法完成的實(shí)驗(yàn)安全、直觀的展示出來(lái)。如前文所述，雙零折射率材料在自然界中無(wú)法直接獲得，而零折射率材料的電磁特性卻是很容易推介到我們物理課程體系中去，為了使同學(xué)們可以直觀地觀察到零折射材料特性，本文將采用文獻(xiàn)[4]中報(bào)道的Dirac錐光子晶體來(lái)代替零折射率材料進(jìn)行研究。通過(guò)數(shù)值仿真模擬，展示零折射率材料三個(gè)基本的電磁特性，進(jìn)而根據(jù)其獨(dú)特的電磁特性仿真一個(gè)零折射率材料的典型應(yīng)用，希望可以為學(xué)生理解這種新穎的超構(gòu)材料提供一些直觀的物理圖像。

1 模擬方法

本文采用商業(yè)模擬軟件FDTD Solutions對(duì)文獻(xiàn)[4]提出的Dirac錐光子晶體零折射率材料與折射率n=1.4的普通介質(zhì)材料進(jìn)行模擬并對(duì)比，其中所用零折射材料為由介質(zhì)柱組成的二維正方晶格光子晶體(如圖2)。具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)為晶格常數(shù)a=0.5μm,介質(zhì)柱半徑R=0.2a=0.1μm，介質(zhì)柱的折射率為n=3.54；軟件中設(shè)置的背景介質(zhì)均為空氣，折射率n=1，入射光波長(zhǎng)均為0.937μm，即在Dirac點(diǎn)頻率處。計(jì)算時(shí)的邊界條件設(shè)置為完美匹配層，相當(dāng)于把整個(gè)材料放置在開闊的實(shí)驗(yàn)空間，即出射散射等光波可以無(wú)反射地傳向無(wú)窮遠(yuǎn)。

圖2 二維正方晶格光子晶體結(jié)構(gòu)示意圖

2 仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 光通過(guò)零折射率材料不規(guī)則面的出射方向

入射波傳播到兩種介質(zhì)的分界面時(shí)會(huì)發(fā)生折射現(xiàn)象，同樣，折射現(xiàn)象也會(huì)發(fā)生在普通介質(zhì)(如空氣)與零折射率材料的分界面。那么發(fā)生在零折射率材料界面的折射現(xiàn)象與常規(guī)的折射現(xiàn)象有什么不同呢？根據(jù)折射定律

n1sinθ1=n2sinθ2

(3)

圖3 平面光波分別通過(guò)零折射材料不規(guī)則平板(a)和折射率為1.4的不規(guī)則介質(zhì)平板(b)時(shí)的電場(chǎng)分布

當(dāng)光波從非零折射材料射入另一種常規(guī)材料時(shí)，由于n1≠0，所以當(dāng)光波的入射角θ1≠0°時(shí)，出射角θ2也必不等于0；而當(dāng)光波從零折射材料入射時(shí)，由于n1=0，等式的右側(cè)也必須為0，而n2≠0,所以無(wú)論光波的入射角θ1是多少，出射角θ2都將等于0，也就是說(shuō)當(dāng)光波從零折射率材料射出時(shí)，其出射方向必然始終垂直于出射面。我們通過(guò)在模擬軟件中設(shè)置一個(gè)被切了一個(gè)角的矩形平板，通過(guò)改變平板材料來(lái)模擬觀察光波分別通過(guò)非零折射率材料和零折射率材料后的出射方向。圖1中黑色箭頭表示光的入射方向，灰色箭頭表示光的出射方向，從圖3(a)可以看出光波通過(guò)零折射材料時(shí)，無(wú)論入射角多大，出射方向都始終垂直于出射面。而由圖3(b)可以看出光波通過(guò)折射率為1.4的介質(zhì)層時(shí)，由于界面的不規(guī)則，發(fā)生了很復(fù)雜的過(guò)程，在均勻的介質(zhì)里面出現(xiàn)了明顯的強(qiáng)弱分布的干涉場(chǎng)。但不論過(guò)程如何，與零折射率材料不同，光波在斜切角邊界發(fā)生了明顯的折射，出射面的出射方向與入射方向有關(guān)。

2.2 零折射率材料內(nèi)部的場(chǎng)分布

根據(jù)經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的電磁理論，光波在介質(zhì)中傳播會(huì)有相位的改變和積累。如果一定頻率的光波在折射率為n的均勻介質(zhì)中傳播，設(shè)該頻率的光波在真空中的波長(zhǎng)為λ0，則光波在傳播距離d后，其相位的改變量為

(4)

而對(duì)于零折射率材料，由于其折射率n=0，所以無(wú)論光波在介質(zhì)中傳播多遠(yuǎn)的距離，其相位都保持不變。我們通過(guò)仿真模擬了Dirac錐光子晶體零折射率材料的電磁場(chǎng)分布，讓光波從空氣中分別垂直入射到Dirac錐光子晶體層和普通介質(zhì)層再射出，觀察其內(nèi)部電磁場(chǎng)是否均勻，相位是否發(fā)生變化。圖4中的灰色箭頭表示光波入射方向，可以看出當(dāng)光波在非零折射材料介質(zhì)中傳播時(shí)，相位發(fā)生了明顯的周期性的變化；而在我們?cè)O(shè)置的零折射材料中傳播時(shí)，盡管在每一個(gè)介質(zhì)柱內(nèi)產(chǎn)生了明顯的位相分布，但從整個(gè)光子晶體來(lái)看，相位沿傳播方向始終沒(méi)有改變。

圖4 光波分別通過(guò)Dirac錐光子晶體零折射率材料平板(a)和折射率為1.4的常規(guī)介質(zhì)平板(b)時(shí)的電場(chǎng)分布

2.3 光通過(guò)零折射率材料平板的透過(guò)率

光波通過(guò)一個(gè)介質(zhì)平板，其透過(guò)率會(huì)隨著平板厚度的改變而改變，其物理機(jī)理是光波會(huì)在平板兩側(cè)的界面處多次來(lái)回反射，平板就像一個(gè)F-P腔，其出射光的透過(guò)率是多次透射光的多光束干涉,具體公式為

(5)

圖5 不同層數(shù)的Dirac錐光子晶體的透射譜(a)與不同厚度的折射率為1.4的介質(zhì)層的透射譜(b),在Dirac點(diǎn)波長(zhǎng)處，即平板折射率為零時(shí)，透過(guò)率不隨平板厚度的改變而改變。

其中δ為光波在介質(zhì)平板中往返一次所累積的相位變化,n為介質(zhì)的折射率，h為介質(zhì)平板的厚度。而對(duì)于零折射率材料，由于n=0，所以不論平板的厚度如何改變，光波在其中往返一次所累積的相位變化均為0。由式(5)可知，光波透過(guò)零折射率材料的透過(guò)率也不會(huì)隨著平板厚度的改變而改變。我們分別仿真了光波通過(guò)不同層數(shù)(8層、12層、16層)Dirac錐光子晶體與折射率為1.4的不同厚度(5.0μm、5.5μm、7.0μm)介質(zhì)層的透射譜，由圖5(a)光波通過(guò)Dirac錐光子晶體的透過(guò)率可以看出，在Dirac點(diǎn)處光波通過(guò)Dirac錐光子晶體材料的透過(guò)率始終為1，而在偏離Dirac點(diǎn)的位置，由于光子晶體不再等效于零折射材料，所以透過(guò)率隨著平板厚度的改變而發(fā)生了變化；從右側(cè)光波透過(guò)折射率為1.4的材料的透過(guò)率圖中也可以明顯看出，沒(méi)有任何一點(diǎn)在介質(zhì)層厚度改變時(shí)光波的透過(guò)率始終不變。

3 零折射率材料的應(yīng)用：匯聚透鏡，波前控制

由仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的三個(gè)基本物理特性可知，Dirac錐光子晶體確實(shí)可以實(shí)現(xiàn)零折射率材料的一些物理特性，那么它是否可以實(shí)現(xiàn)零折射率材料的一些典型的功能呢？我們也進(jìn)行了一些仿真實(shí)驗(yàn)。這里我們利用以上仿真的零折射率材料的第一個(gè)特性——光波通過(guò)光子晶體后的出射方向始終垂直于出射面，來(lái)實(shí)現(xiàn)零折射率材料的聚焦功能。如果我們把光波通過(guò)零折射率材料的出射面設(shè)計(jì)成弧形或半圓型，那么通過(guò)它出射的光波將匯聚到一點(diǎn)。圖6模擬了這種情況，其中深色箭頭表示光波從空氣中分別入射到零折射材料和非零折射材料的入射方向，淺色箭頭表示光波通

圖6 零折射率材料(a)與折射率為1.4的介質(zhì)(b)模擬匯聚透鏡

過(guò)介質(zhì)后的出射方向從左側(cè)圖可以看出，讓光波從左側(cè)垂直入射，通過(guò)將光子晶體排列成一個(gè)圓弧形，可以使光波出射后匯聚到一個(gè)點(diǎn)上，從而實(shí)現(xiàn)匯聚透鏡的功能；而右側(cè)使用相同操作的非零折射材料并不能實(shí)現(xiàn)光波的匯聚。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用商業(yè)模擬軟件FDTD Solutions對(duì)Dirac錐光子晶體零折射率材料進(jìn)行仿真模擬。仿真實(shí)驗(yàn)表明，零折射率與常規(guī)正折射率材料相比具有很多奇特的電磁特性。我們通過(guò)靈活運(yùn)用零折射材料可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光路的控制。本次仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與物理理論吻合，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以使得學(xué)生對(duì)零折射率材料的物理特性有一個(gè)感性的認(rèn)識(shí)，對(duì)零折射率材料的理解以及相關(guān)器件的設(shè)計(jì)發(fā)展也有很好的指導(dǎo)意義。