光学频段负折射材料中反常多普勒效应的实验与机理研究

反常多普勒效应的存在不仅对物理学常识发出根本性的挑战，而且会有许多潜在的应用前景。本课题组已用硅材料设计、制作了对于10.6 微米激光等效折射率为负数的二维光子晶体棱镜，利用该棱镜在国际上首次观测到了光频段的反常多普勒现象，证明了人造负折射材料确实具有这种奇异的物理性质，相应研究论文已于2011年4月发表在Nature Photonics（Vol.5,No.4）杂志上。在此基础上本课题组拟进一步利用现有的实验平台，详细研究不同结构的一维、二维乃至三维负折射光子晶体中发生的多普勒效应。通过改进实验平台，设计制作相应的多种实验样品，检测其在光频段的多普勒频移，研究产生反常多普勒效应的条件和原因。然后分析、研究实验数据，结合数值模拟仿真以及现有的理论研究成果，探讨此类周期性调制的负折射材料中发生反常多普勒效应的内在物理机制，以期为负折射光子晶体的设计和反常多普勒效应的应用研究工作提供理论基础。

摘要.本课题研究基本按原计划完成了《光学频段负折射材料中反常多普勒效应的实验与机理研究》（编号61177043），原申请书要求如下：“利用现有实验平台，详细研究负折射光子晶体中发生的多普勒效应，探讨此类周期性调制的负折射材料中发生反常多普勒效应的内在物理机制，以期为负折射光子晶体的设计和反常多普勒效应的应用研究提供理论基础。”.在四年研究过程中,完成了相应的机理研究。因为三维负折射材料样品制作困难,研究没有能够达到目的。但是我们完成了与光子晶体相关的多方面研究，完成了许多超出预期目标的成果。.研究成果分为六个方面:.1、实验研究了光栅运动时衍射光的多普勒频移的现象，验证了具有“负折射”现象而并非左手材料运动时，不具备反常多普勒效应。说明“材料界面上,负折射现象只不过是材料周期性的一种表现，并非负折射”的观点，是错的。.2、对于在光子晶体中传播的电磁场进行了分析,计算了当光子晶体运动时其中传播的光场相位变化的全过程,并发展了一种动态的时域有限差分方法，证明在原基于唯象的理论的多普勒频移公式中用等效折射率是正确的，揭示出了发生反常多普勒效应的物理机理。成果“Mechanism Analysis of the Inverse Doppler Effect in Two-Dimensional Photonic Crystal based on Phase Evolution”[7]被《NATURE Scientific Report》接受，已完成第一次修改。.3、对于光波在光子晶体中传输现象,本项目用平面波展开法和时域有限差分法进行了多方面研究，发表了7篇SCI论文,申请获得了两项国家发明专利。.4、关于非长波极限下二维光子晶体中横电模的等效介质理论研究，建立一套适用于非长波极限的EMT。在理论上设计了归一化频率为0.45，等效折射率接近于-1，像的半高全宽度接近衍射极限的理想二维光子晶体平板透镜。.5、研究了双面金属包覆波导结构的反射率与温度关系，提出用它制作具有很高灵敏度的温度传感器。研究了在双面金属包覆介质波导结构产生的逆古斯-汉森位移，为进一步研究超材料的逆古斯-汉森位移打下了基础。.6、提出了一种自由曲面渐变焦镜片新的设计、制作与检测方法，申请并获得了相应国家发明专利与软件著作权。仿真对比和加工成品达到国际产品水平，使我国可不再依赖国外软件,不需再付软件使用费。