超材料(metamaterials)
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Infiltrating PLZT precursor into the voids of the colloid crystal and drying
PLZT precursor gel infilled polystyrene microspheres
Sintering
Ceramic PLZT inversed OPAL
Electrical potential
Period Size:
Optical wavelength DeBroglie Wavelength
Eigen equation:
Maxwell’s equation Schrodinger’s equation
Dispersion Relation:
~ Kph
E ~ Ke
应用领域
无损耗波导及各类分光光路 无损失反射镜 零阈值激光器及光学微腔 光（电磁波）晶体管 低阈值全光开关 光（电磁波）放大器 光子晶体光纤 微波天线基板
－－ 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
－－ 能够使各类光学元器件集成到一起
“反OPAL ” 结构PLZT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
微波传输谱
9 layers 7 layers
5 layers 2 layers 1 layer
2G
3G Frequency (Hz)
4G
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）
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
光子带隙的形成
发展历程
发展历程
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
三维光子晶体的态密度
光子时代的半导体
光子带隙材料与半导体的比较
Photonic Crystal
Semiconductor
Periodicity Character: Refractive index
“反OPAL ” 结构PLZT陶瓷的形貌与结 构
I feel that you have made an excellent advancement in art and science of forming photonic crystal . --David W. Johnson Jr.
“反OPAL ” 结构PLZT陶瓷的透射与反射光谱
什么是左手材料
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。
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”。
基本设计思想
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
色散方程：
2
c2
jl lj
k 2 ij
kik j
0
在一个各向同性的物质中可写成：
k2 2 n2
c2
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”
电磁波传播的能量是由坡印亭矢量表示
S c EH
4
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
无损耗波导及各类分光光路
光子晶体WDM
光子晶体光纤
可以在很大的频率范围内 支持光的单模传输；
光纤允许改变纤芯面积， 以削弱或加强光纤的非线 性效应；
可灵活地设计色散和色散 斜率，提供宽带色散补偿。 光子晶体光纤可以把零色 散波长的位置移到1 μｍ以 下。
光子晶体表面发射激光器
全光开关与晶体管
2G
3G
不同测试角度的微波传输谱
a)
c) d) b)
e)
4G
e d
c b a
2G
3G
4G
Frequency (Hz)
微波传输谱（2）
带隙结构
-18 -20 -22 -24 -26 -28 -30 -32 -34 -36
2.0G
hexagon array
2.5G
3.0G
Frequency (Hz)
3.5G
光晶体管原理
微波调制器件
天线基板
“反OPAL ” 结构PLZT陶瓷的制备
Monodisperse colloidal suspension of polystyrene microspheres
Self-assembly
Colloid crystal (fcc) of polystyrene microspheres
“超材料”设计路线
基本原理
研究方法
设计空间
已有材料
半导体超晶格 光子晶体 “左手材料” 超磁性材料 声子晶体与声学超结构 有序天线基板 。。。。。
实例：“超磁性”材料
光子晶体
什么是光子晶体？
几个基本概念
光子能带：电磁波在由不同介电材料组成的周期
性的结构中传播时，同半导体中的电子一样，也会形 成能带结构--光子能带。 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--光子能隙。频率落在光子 能隙中的电磁波是禁止传播的。 光子晶体：具有光子能隙的介电材料构成的周期结构
10 circles 8 circles 6 circles 4 circles 3.5 circles 3 circles 2.5 circles 2 circles 1.5 circles
1 circles 0 circles
Y Axis Title
Байду номын сангаас
2G
3G
4G
Frequency (Hz)
左手材料
基本设计思想
通过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。
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。
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。
第十一章 光电“超材料” （metamaterials）
什么是“超材料（metamaterials）”？
定义： 具有天然材料所不具备的奇异物理性质的
人工材料。
实例：光子（电磁波）带隙材料 “左手”材料 超磁性材料
“超材料（metamaterials）”的特点
通常是具有新奇结构的复合材料； 具有超常的物理性质； 建立在革命性的物理概念基础上； 具有新颖的应用前景。
PLZT precursor gel infilled polystyrene microspheres
Sintering
Ceramic PLZT inversed OPAL
Electrical potential
Period Size:
Optical wavelength DeBroglie Wavelength
Eigen equation:
Maxwell’s equation Schrodinger’s equation
Dispersion Relation:
~ Kph
E ~ Ke
应用领域
无损耗波导及各类分光光路 无损失反射镜 零阈值激光器及光学微腔 光（电磁波）晶体管 低阈值全光开关 光（电磁波）放大器 光子晶体光纤 微波天线基板
－－ 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
－－ 能够使各类光学元器件集成到一起
“反OPAL ” 结构PLZT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
微波传输谱
9 layers 7 layers
5 layers 2 layers 1 layer
2G
3G Frequency (Hz)
4G
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）
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
光子带隙的形成
发展历程
发展历程
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
三维光子晶体的态密度
光子时代的半导体
光子带隙材料与半导体的比较
Photonic Crystal
Semiconductor
Periodicity Character: Refractive index
“反OPAL ” 结构PLZT陶瓷的形貌与结 构
I feel that you have made an excellent advancement in art and science of forming photonic crystal . --David W. Johnson Jr.
“反OPAL ” 结构PLZT陶瓷的透射与反射光谱
什么是左手材料
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。
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”。
基本设计思想
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
色散方程：
2
c2
jl lj
k 2 ij
kik j
0
在一个各向同性的物质中可写成：
k2 2 n2
c2
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”
电磁波传播的能量是由坡印亭矢量表示
S c EH
4
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
无损耗波导及各类分光光路
光子晶体WDM
光子晶体光纤
可以在很大的频率范围内 支持光的单模传输；
光纤允许改变纤芯面积， 以削弱或加强光纤的非线 性效应；
可灵活地设计色散和色散 斜率，提供宽带色散补偿。 光子晶体光纤可以把零色 散波长的位置移到1 μｍ以 下。
光子晶体表面发射激光器
全光开关与晶体管
2G
3G
不同测试角度的微波传输谱
a)
c) d) b)
e)
4G
e d
c b a
2G
3G
4G
Frequency (Hz)
微波传输谱（2）
带隙结构
-18 -20 -22 -24 -26 -28 -30 -32 -34 -36
2.0G
hexagon array
2.5G
3.0G
Frequency (Hz)
3.5G
光晶体管原理
微波调制器件
天线基板
“反OPAL ” 结构PLZT陶瓷的制备
Monodisperse colloidal suspension of polystyrene microspheres
Self-assembly
Colloid crystal (fcc) of polystyrene microspheres
“超材料”设计路线
基本原理
研究方法
设计空间
已有材料
半导体超晶格 光子晶体 “左手材料” 超磁性材料 声子晶体与声学超结构 有序天线基板 。。。。。
实例：“超磁性”材料
光子晶体
什么是光子晶体？
几个基本概念
光子能带：电磁波在由不同介电材料组成的周期
性的结构中传播时，同半导体中的电子一样，也会形 成能带结构--光子能带。 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--光子能隙。频率落在光子 能隙中的电磁波是禁止传播的。 光子晶体：具有光子能隙的介电材料构成的周期结构
10 circles 8 circles 6 circles 4 circles 3.5 circles 3 circles 2.5 circles 2 circles 1.5 circles
1 circles 0 circles
Y Axis Title
Байду номын сангаас
2G
3G
4G
Frequency (Hz)
左手材料
基本设计思想
通过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。
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。
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。
第十一章 光电“超材料” （metamaterials）
什么是“超材料（metamaterials）”？
定义： 具有天然材料所不具备的奇异物理性质的
人工材料。
实例：光子（电磁波）带隙材料 “左手”材料 超磁性材料
“超材料（metamaterials）”的特点
通常是具有新奇结构的复合材料； 具有超常的物理性质； 建立在革命性的物理概念基础上； 具有新颖的应用前景。