制作一个负折射的完美透镜外文文献翻译、中英文翻译
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制作一个负折射的完美透镜J.B.彭德利 凝聚态理论组,布莱克特实验室,帝国理工大学,伦敦SW7 2BZ,联合王国(2000年4月25日收)一、概论一个常规透镜成像的清晰度总是限制于光的波长。一种非常规的可供选择的透镜,由折射率为负值的材料做成的厚片,能量聚集于傅里叶分量形成三维图像,尽管不能以辐射的方式传播。以现在的技术现状这种“超透镜”在微波波段可能被实现。我们的模拟实验显示这种透镜可操作在频率为可见光范围内以镀银的薄片形式实现。这个光学版本的解决对象只有几纳米。二、正文 光学透镜几世纪以来一直都被当做是科学家们的基本工具之一。他们的操作都心照不宣的建立在传统的光学之上:曲面聚光把光的折射率对比。同样的他们的局限性被称为波动光学:没有透镜可以把光聚集在一个比相同波长小的区域内。在那里新的说法不同于改进这个透镜使其更加完美和发明轻微的更好地电介质是什么?在这篇论文上我想向传统的限制于透镜的性能提出挑战和建议一种“超透镜”,并且提出一个实用性的建议就是计划实施这样一个透镜。 让我们来看看更接近的限制性能的原因有哪些。考虑在透镜前频率为 的无穷小的偶极子。这个电子元件的领域将被二维傅里叶求和给出, =, (1) 我们选择z轴为透镜的中心轴,麦克斯韦方程组告诉我们, . (2) 这个透镜的函数是应用于每个傅里叶分量的位相校正,因此在一些距离超过透镜的焦距时重新聚集焦点和一个图像的偶极子源出现。除了这些漏掉的之外:对于横波的矢量有很大的价值,, . (3) 这些容易消散的波随着z以指数方式衰减,而且没有位相校正将会恢复它们至它们适当的振幅。它们是有效的远离一般只包含传播波的图像。因为这个传播波被限制于 , (4) 在这个图像中最大的分辨率绝对不会大于 , (5) 这是正确的无论是完美的透镜还是大的孔径。 这是一个非常规的可供选择的透镜。负折射率的材料将会汇聚光即使这时是以一个平行面厚板的形式的材料。在图一的略图上,聚焦在这样一个平板上,假设那个折射率为 . (6) 图一,光线被一种负折射率的中间物随着正常表面弯曲成一个负角。光线从原来的一点光源发散开来然后在背面重新汇聚成一个点。从这种中间物释放的光线将会在远处第二次汇聚。 思考片刻将会显示这幅图服从光照射在表面会进入里面,中间物会制作一个负角随着表面正常射出的斯内尔定律。这个系统的其他特征是通过一个简单的射线图解显示双聚焦效应。光通过一块厚度为的板传播到位于一个从光源至两倍焦距时的距离为, . (7) 这个中间物潜在的秘密是介电常数和磁导系数碰巧是负值。举个例子我们可以选择 (8) 首先来看看折射率在真空中简单的意义 (9) 但是进一步的考虑将会显示当和都是负数时在公式(9)中我们必须选择负值平方根。但是其它相关的量,中间物的阻抗为 (10)保持正值,因此当 和 时,这个中间物是一个完美适应自由空间和界面显示没有反射。在远处的边界那里又有一个匹配阻抗,而且光线是完美地传播进真空中。 运算证实所有的能量都是以一种奇怪的方式传输进入中间物中:能量在 +z 方向传输要求在中间物中, (11) 这个媒介的所有的传输系数是 (12)这里的d是板的厚度,负位相的结果是从我们强制通过因果关系选择波矢。这位相逆转使媒介能够汇聚光线通过消除已获得的位相用光线远离光源的方法。所有的这些都在很久以前被韦谢拉戈提出。新的报道在这个卓越地文献上,这个媒介也可以消除那些容易消散的波的衰减。这里有个怀疑就是这样的波衰减的是振幅而不是位相,因为它们的传播远离水平的目标。因此为了汇聚它们我们需要的是放大它们而不是调整它们的位相。我们将展现容易消散的波在从媒介远处的侧面通过传播过程增强振幅后浮现。这没有违反能量守恒定律,因为这种容易消散的波传输时没有能量,但是这是一个令人惊讶的结果。这个证明一点都不困难。让我们来假设布S偏振光在真空中。电场被给出 (13)波矢为 (14)意味着指数衰减。在这个媒介的表面有一些光线被反射, (15)还有一些传输进媒介中, (16)在这里 (17)为了符合因果关系我们需要选择在媒介中这种波的形式:它必须以指数衰减从表面离去。通过在表面匹配的波动场,我们显示 (18)相反地波在媒介内部入射到表面随着真空经过传播和反射遵循: (19)为了计算传播通过厚板的表面我们必须概括出许多分散的项目, (20)通过把(19)式代入(20)式中得到极限, (21)反射率通过以下公式给出 (22)容易消散的P偏振波也有类似的结果: (23)因此即使我们细致地通过进行了严格的有逻辑的计算,我们发现的结果是这个中间媒介有增强易消散波的作用。因此我们推论这个新的透镜对传播和易消散的波的像的分辨率做出贡献。所以那里没有物理干扰的去完美改造像,使其超过孔径的实际边界和透镜表面的完美。这是这篇文献的主要结论。如果这意味着意识到它没有什么可以利用的那么不会有多少兴趣。幸运的是最近有多个进展制造这样一个透镜的实际可能性,最少在一些光谱领域内。一段时间之前它已经显示出金属结构随着晶格间隙的目的是几毫米表现的像一个等离子体的共振频率 ,在GHz范围内。这个理想的电介质关于等离子体的反应由下列式子被给出 (24)因为 所以上式取负值。更近的我们也可以展示出一个结构包含循环的传导电线的性能模仿一种有磁性的等离子体, (25)尽管类似的没那么完美,它还是展示出了在这些结构中获得 。因此通过调试设计的参数这当然可能生产出一个接近理想的结构 (26)最少在单频中。在光学频率中有多种金属表现的像一个接近完美的等离子体通过公式(24)建立电解质方程模型:银、金和铜可能是最好的例子。已知的有磁性性质的材料很少有约束。但是我们仍然可以有很大的进步即使在这些情况下。考虑到静电极限:一个系统的所有的规模都小于光的波长。在这个系统中我们可以忽略辐射效应中的解耦静电和静磁场:P偏振要求静电场的所有权,而S偏振则要求静磁场的所有权。在静电极限中, (27)接下来公式(14)取极限 (28)接着公式(17)取极限 (29)因此在这个极限中我们可以看到P偏振区域依赖于被消除,而且仅仅只有电解质方程是相关的。厚板的传输系数成为, (30)因此,在这个极限中,我们仅仅需要假设 (31)为了获得关注的准静电场,没有对有任何条件。有趣的记录是恰好为了表面等离子体存在这种情况的需要:那是连接聚焦行动和更好地定义表面等离子体的存在。让我们来评估一下如何更好我们可以使用镀银的银层来聚焦像。我们将假设目标包含一个静电电势与两个尖峰,就如图二所示。在不注意关于银制的静电电势在距离 远离目标时是模糊不清的,我们可以不再解决这两个尖峰因为这个电势的高阶傅里叶分量在振幅上是减小的, (32)这个结果显示在图二中。 图二,(a)平面图展现的是新透镜在操作中。一个准静电电势在目标平面上被想象出来通过一个镀了银的透镜的行动。(b)这个静电场在目标平面上。(c)静电场在像的平面上和没有镀银的厚板在适当的地方。改造后将是完美的,它不再是有限的被银制物吸收。 我们希望使用银制的厚板,厚度为 d,作为一个透镜来修复高阶傅里叶分量的振幅和聚焦成图像。我们接下来使用的是镀银的近似的电解质方程: (33) 明显的电解质方程的虚数部分将代替一些实际的限制在聚焦效应中,通过选择最适当的频率因为焦距为3.48 eV,聚焦像变成 (34) 这个结果也绘制在图二中。显然只有电解质方程的虚数部分阻止理想的改造。但是,相当大的聚焦是得到了的。 光线的强烈聚焦通过利用表面等离子体也可以获得一条完全不同的通道因为埃布森和波尔图已经在最近演示证明了。 准静态极限也大大减轻了在微波频段的设计标准。比如我们可以制作一个近场静电的透镜操作在GHz波段通过使用一块包含薄金电线的厚板调整正常的表面和空出晶格侧面5 mm的平方。可能最有趣的是在GHz波段成像的可能性是静磁极限。结构包含一系列的金属环因为一份简单的论文在描写将给出在一个合适的频率,并且将磁场的重点来源进入锋锐的图像。由于许多材料对磁场是透明的,这将造成一个有趣的图像对于同等在非磁场目标里面。 我们有了一个把光带到完美焦点没有被通常的波长强加限制的惯例。这是被通过认可获得的,最近发现负折射指数材料复原不仅有传播波的位相而且有倏逝波的振幅。为了非常短的距离的静电或静磁的极限应用,使一个实际的模仿银制厚板的形式能够实现。这个光线聚焦的图案调整为银制等离子体表面频率和仅仅通过在金属中降低抵抗力来限制。我们不怀疑这个观念有许多进一步的实际的影响。 我非常感谢代维史密斯、谢尔登舒尔茨和迈克威尔特郡他们宝贵的关于负折射率观念的通信。
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