[发明专利]基于单轴晶体的各向异性实现平板负折射成像的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于单轴晶体的各向异性实现平板负折射成像的方法，可适用于光信息处理、提高光学分辨率和光传输的控制器件等方面，属于光学成像技术领域。

背景技术

折射是自然界中最普遍的光学现象之一，常常发生在两种折射率不同的介质的分界面上。一般情况下，当光在两种介质中传播时，入射光和折射光会出现在两种介质分界面法线的两侧，这种光学现象被称为正折射。负折射是指当入射光沿着两种介质分界面的法线传播时，入射光和折射光会出现在分界面法线的同侧。负折射作为一种独特的物理现象是近几年来一个新兴的研究领域，它向人们展示了一个新奇的光学世界。早在20世纪60年代Veselago预测了负折射具有一些特别的性质[V. G. Veselago, Sov. Phys. Usp., 1968 (10): 509-514.]，比如平板成像。而Pendry的研究使得负折射成为人们关注的焦点，他的研究表明负折射材料具有完美光学成像、逆Doppler频移、反常Cerenkov辐射等多种奇异的物理现象以及良好的应用前景[J. B. Pendry, Phys. Rev. Lett., 2000 (85): 3966-3969.；J. B. Pendry, Nature, 2003 (423): 22-23.]。大量的研究表明负折射最大的潜在应用价值就是在理论上具有平板负折射成像特性，通过无限大的负折射率介质板制成的完美透镜可将光束的各个角谱成分完美地聚焦于一点，聚焦光斑的精度可以达到小于波长的尺度。如果将其制成光学镜头，可以使DVD的数据存储量扩大100倍；如果应用于医疗高磁共振（MRI）仪器，也将大大提高图像的清晰度。另外，由于负折射效应可以使物体周围的光波发生“弯曲”，从而实现“隐形”的效果，因此，可以利用负折射效应来开发新型的隐形材料将对于航空领域具有令人无法想象的应用前景，而这种新型隐形材料的研发也必然会导致飞行器隐身技术的重大突破。

到目前为止，人们只在三种情况下能观察到负折射效应：一是在由一些金属环和棒所构造出的左手材料的界面处；二是在光子晶体的界面处；三是在传统的各向异性晶体界面处。以前对于负折射效应的研究都主要集中在人工合成的左手材料和光子晶体两个方面，而对于后者的研究较少。由于自然界中并不存在左手物质和光子晶体，出现在这些各向异性晶体中的负折射效应与左手材料和光子晶体中所观察到的负折射效应有着本质上的差别。前者仍然满足波矢量、电场矢量和磁场矢量的右手旋法则，本质上是由于晶体折射率的各向异性所导致，而折射率各向同性的左手材料却遵循这三种矢量的左手旋法则。光子晶体中的负折射现象既不同于左手材料中的负折射现象也不同于各向异性晶体中的负折射现象，在光子晶体中，不仅当左手旋法则成立时会出现负折射现象，当右手旋法则成立时也会由于晶体的各向异性或光子晶体的布拉格耦合效应而出现负折射现象，后一种情况和在各向异性晶体中所观察到的负折射现象更为相似。尽管围绕人工合成的左手材料和光子晶体展开得一系列负折射效应研究已经成为当前学术讨论的热点，但多数研究者仍然停留在认识世界，即研究其物理性质的阶段，尽管也发现了许多新的有趣的物理现象，但目前急需在负折射效应的应用，即平板负折射成像特性方面有所突破。另外，人们长期以来一直认为天然材料只能发生正折射现象，而对天然材料负折射效应方面的研究较少。在这种背景下，本发明申请的发明人研究了各向异性晶体的负折射成像问题，试图提出一种基于单轴晶体的各向异性实现平板负折射成像的方法，从而引导出本发明的构思。在此处键入背景技术描述段落。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于单轴晶体的各向异性实现平板负折射成像的方法。

本发明采用的技术方案是：

一、基于光在各向异性晶体中的传播可以用折射率椭球来表示，构建了一套推导各向异性晶体实现平板负折射成像的折射率椭球理论。下面通过单轴晶体详述推导各向异性晶体实现平板负折射成像的折射率椭球理论。

1、选择坐标系。如图1所示，规定单轴晶体的平界面（通光面）位于x-y平面内，平界面的法线平行于z轴，而晶体的光轴(图1中的绿线)和光的入射平面都位于x-z平面内，晶体的光轴与平界面的法线成θ₀切角。