中红外波长负折射率液晶材料

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1、中红外波长负折射率液晶材料李晓平１’２‘，贾丹１２，杨程亮１，彭增辉１，宣丽１ｌ冲国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室，长春，１３００３３２．中国科学院研究生院，北京，１０００３９·Ｅｍａｉｌ：ｌｉｘｐ８６＠１６３．ｃｏｍ摘要；利用包含碳化硅（ＳＩＣ）的核壳微球的向列相液晶（枣儿Ｃ）。理论计算发现在１３１ａｎ～１３．２胂中红外波段负折射率。由于强烈声子激化共振产生大的介电常数，ＳｉＣ微球在１３．１ｔｔｍ附近产生负磁导率。通过确定壳层材料的等离子参数，来实现负折射率液晶材料。解释了负介电常数和负磁导率产生的机理。关键词：负折射率；碳化硅；向列相液晶：中红外１

2、．引言前苏联科学家Ｖｅｓｅｌａｇｏ首先从理论上提出负折射率概念，即如果一种材料同时具有负的介电常数和负的磁导率会产生负的折射率【１１。利用负折射率材料可以实现诸如超透镜【２１和隐身设备等新奇的潜在应用１３ｌ。２０００年，在Ｊ。Ｂ．Ｐｅｎｄｒｙ建议下陬朝，利用金属线阵和开口谐振环人造组合结构，加州大学的Ｄ．Ｒ．Ｓｍｉｔｈ研究组第一次实现了微波段的负折射率Ｉ引。在光频段，在许多金属－介电组合结构中负折射率也已被实现，如金属纳米条阵列和反转的介电空洞对，以及金属，介电质．金属三明治渔网结构。这些结构的电磁响应主要裁用金属在可见光的负介电常数本质属性以及在金属纳米条对中反对成电流诱导的

3、磁偶极子振荡。由于上述的负折射率材料常需要复杂的微纳加工手段，很难获得大面积的样品，一般也限制在二维尺度上用。虽然三维的负折射率材料已经在多层堆积的渔网结构中实现，但其仍需要极其复杂的纳米加工工艺÷鄹。高频的负磁导率除了在金属条对结构中实现外，理论表明，在高介电常数纳米球或微球集合中也可以实现负磁导率〔９１。在微波频率实验也证明了在高介电球的负磁导率效应【ｌＯｌ。相应的，如果高介电球覆盖一层负介电材料组成核壳结构，会实现三维负折射率材料【ｌｕ本文中，利用ＳｉＣ在中红外波段声子共振产生的高介电常数，获得了在１３．１ｉａｎａ附近的负磁导率。通过调节合理的等离子壳层材料参数，负折射率

4、也被获得。２．理论在中红外波长１２，６１ａｍ附近，ＳｉＣ产生强烈的声子共振，在共振峰低频一端，介电常数产生极大的正值。长波近似条件下（珍＞ｆ），磁场的激发下，ＳｉＣ球类似于～振荡的磁偶极子，在靠近共振频率可以实现负磁导率，ＳｉＣ介电常数为‰＝气ｆ－Ｉ＋斌一霹）／研一彩１一ｉＦｍ）１，其中气＝６，７为高频介电常数。出为入射光角频率，田。；２ｎｘ２９．０７ＴＨｚ，坼＝２石ｘ２３．７９７”Ｈｚ和Ｆ＝２ｚｒｘｏ．１４２８ＴＨｚ分别为纵向光学声子频率、横向光学声子频率和阻尼频率【１２ｌ。具有负介电常数的等离子材料常用Ｄｒｕｄｅ公式描述‰＝卜缈；／（ｃ０２＋砌力，其中％为等离子共振频率，ｙ

5、为阻尼频率。Ｍ￡由于与其它材料良好的兼容性，宽带的透明性以及可调谐的余电常数，４９８常用在光子器件设备中。ＮＬＣ介电常数％ｒ＝‘毛／（ｓｏｓｉｎ２僧）＋ｔＣ０５２妒）），其中Ｌ和‘分别为寻常光和非寻常光介电常数．０为液晶分子排列和光传播方向夹角。在中红外波长范田内，忽略液晶损耗。圈１核壳结构随机分散的负折身ｊ率液品材料Ｆｉｇ．１ＳｃｈｅｍｅｒｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｎｅｇａｔｉｖＰｉａｄｅｘｌｉｕ¨ｉｄｆｌｙｓｔａｌｃｏｐｓｉｓｌｉｎｇｏｆｒａｎｄｏｍｌｙｄｉｓｐｅｒｓｉｒｅ（，ｏｒｅｓｈｅ『Ｊｍｉｃｔｏｓｐｈｅｒｅｓ如图１所示，新的液晶材料ｄ】核壳微球随机分散到ＮＬＣ构成。利用

6、Ｍａｘｗｅｌｌ－Ｇａｒｎｅｒ混合公式来描述构成的液晶材料的宏观有效介电常数和有效磁导率铲ｍｅ碧筹四～＝“瓦ｋ．：ｚｅｉ＋ｊ４面ｒｒＡ’ｂＩ（２）其中‰，和ｐ。，为液品的介电常数和磁导率，‰为液品中波数ｔＮ＝３ｆ／４ｘｒ，’为核壳球体密度（ｆ为核壳球往整个结构中的体积分数）。“和ｂ分别为核壳球电场和磁场的一阶米氏敞射系数，体现了电偶板予和磁偶极子振荡的强度Ⅲｊ。由于高频材料磁性的缺失，所以选择“＝鸬＝风，，＝ｉ。３．结果和讨论通过参数优化，核壳球半径＾＝Ｏ９ｕｒｎ，＾＝Ｏ９３／ｔｍ，壳层等离ｆ材料∞。＝２ｚ×２５ＴＨｚ和ｙ＝∞。／１００被选择．采＿Ｌ『】适ｃ｛·的体秘分数ｆ＝０．

7、３５和ＮＬＣ介电常数“，＝２。利用方程（２）（３）．甜算整个构成液ｔ精材料的介电常数、磁导率和折射率，如图２所可ｉ。图２（ａ）显不ｎ：１３ｌｐ．ｍ．磁导率实部Ｒｅ（‰）呈现负值，最夫约为一０１４。负磁导率主要来源Ｊ二ＳｉＣ在甜应波Ｋ大的介屯常数值，诱导了核球强烈的磁ｊｔ振产ｍ。尽管短波长１２７９ｍ满足兆振条件。Ｒｅ（如）ｃ０却没有出现，主要曰－Ｉｉ１２７ｐ．ｍ儿乎完全靠近ＳｉＣ的ＪＬ振声ｒ激化，￡振峰，总的有敬ＳｉＣ核的磁偶极ｒ振荡被严重抑制，宏观ｊ—ｊＩ发现为强烈的抗磁性质０＜Ｒｅ（以，）