专利名称：一种光频本征型超常电磁介质材料及其制备与应用方法
技术领域：
本发明属于电磁介质材料技术领域，特别涉及一种光频本征型超常电磁介质材料及其制备与应用方法。
背景技术：
超常电磁介质是指这样一类材料系统，它们具有小于I甚至是负值的介电常数或磁导率，并表现出与常规材料显著不同的电磁性质。其中，当介质的介电常数和磁导率均小于零时，电磁波在其中传播时满足左手关系，因此也称为左手材料。左手材料具有许多新奇的电磁特性，包括负折射、逆Doppler位移、逆Cerenkov福射效应等。正因如此，左手材料在超透镜及其它光学器件方面具有潜在的应用价值。传统的超常电磁介质主要基于周期性金属谐振结构，即采用金属线实现电谐振、开口谐振环实现磁谐振，以此来获得超常的介电响应和磁响应。其中超常介电响应容易获得，如很多金属材料，从微波到光频都具有负的介电常数，而高频磁谐振(微波以上频率)的获得则需要借助周期结构来实现。进入光频以后，要求结构单元的尺度为纳米级，因此对材料的制备技术提出了很高的要求，复杂的微机械制备工艺和化学方法不能适应工业生产的需要；另外，由于金属结构单元在光频的损耗较高，这也限制了这一类超常电磁介质的实际应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种光频本征型超常电磁介质材料及其制备与应用方法，这种介质是稀土离子掺杂的晶体材料，利用稀土离子的共振电偶极跃迁和磁偶极跃迁实现本征型光频超常电磁性质。稀土离子中的4f电子在外界光源激发下发生f_f跃迁，根据跃迁选择定则，可以分为电偶极跃迁和磁偶极跃迁。其中电偶极跃迁和磁偶极跃迁将分别对入射光的电场分量和磁场分量产生响应，其结果是分别引起电谐振和磁谐振。因此，在合适的入射光频率和掺杂浓度条件下，在这类介质中可以实现光频的超常电磁响应。当电偶极跃迁和磁偶极跃迁同时存在且两者的几率可以相互比拟时，则可以获得负折射性质。一种光频本征型超常电磁介质材料，以透明光学晶体为基质晶体，以三价稀土离子为掺杂离子，将两种稀土离子均匀掺杂在基质晶体中所形成的光频本征型超常电磁介质材料；所述两种稀土离子分别提供负介电常数和提供负磁导率；其中稀土离子总摩尔数占基质晶体摩尔数的O. 1% 10% ;两种稀土离子的摩尔比为1:1 1:10，其中提供负介电常数的稀土离子的含量不大于提供负磁导率的稀土离子的含量，且要求提供负介电常数的稀土离子的电偶极跃迁能级对和提供负磁导率的稀土离子的磁偶极跃迁能级对满足简并条件；该材料能够利用同一波长处的电偶极跃迁和磁偶极跃迁同时实现负介电常数和负磁导率，从而实现负折射率。所述基质晶体为的Y203、La203、Y3Al5O12, YA103、LiNb03、CaffO4, YVO4, CaF2, LaF3 或Ca5(PO4) 3F。
所述稀土离子为Pr3+、Nd3+、Sm3+、Eu3+、Gd3+、Tb3+、Dy3+、Ho3+、Er3+、Tm3+ 或 Yb3+。一种光频本征型超常电磁介质材料的制备方法，将两种稀土离子同时掺入到基质晶体中，其中稀土离子总摩尔数占基质晶体摩尔数的O. 1% 10%;两种稀土离子的摩尔比为1:1 1:10，其中提供负介电常数的稀土离子的含量不大于提供负磁导率的稀土离子的含量，且要求提供负介电常数的稀土离子的电偶极跃迁能级对和提供负磁导率的稀土离子磁偶极跃迁能级对满足简并条件。所述基质晶体为的Y203、La203、Y3Al5O12, YA103、LiNb03、CaffO4, YVO4, CaF2, LaF3 或Ca5(PO4) 3F。所述稀土离子为Pr3+、Nd3+、Sm3+、Eu3+、Gd3+、Tb3+、Dy3+、Ho3+、Er3+、Tm3+ 或 Yb3+。一种光频本征型超常电磁介质材料的应用方法，利用所选则的两种稀土离子同一波长处的电偶极跃迁和磁偶极跃迁同时实现负介电常数和负磁导率，从而实现负折射率;电磁共振跃迁的激发波长由选所择的稀土离子的能级结构决定，处于300 nnT2000 nm的波长范围内。本发明的有益效果为本发明利用材料的本征电磁响应来实现光频段的超常电磁性质，可以在很大程度上简化材料制备工艺，从而为其实用化奠定基础。在合适的入射光频率和掺杂浓度条件下，在这类介质中可以实现光频的超常电磁响应。当电偶极跃迁和磁偶极跃迁同时存在且两者的几率可以相互比拟时，则可以获得负折射性质。
具体实施例方式本发明提供了一种光频本征型超常电磁介质材料及其制备与应用方法，下面结合具体实施方式
对本发明做进一步说明。采用熔体法单晶生长技术制备稀土离子掺杂的光学晶体，通过晶体切割、抛光等过程获得直径为10 20 mm，厚度为0.5 2 mm的单晶薄片。根据电子跃迁的半经典理论、Judd-Ofelt理论和Wigner-Eckart原理,可以知道材料的介电常数和磁导率有以下的表达式
权利要求
1.一种光频本征型超常电磁介质材料，其特征在于以透明光学晶体为基质晶体，以三价稀土离子为掺杂离子，将两种稀土离子均匀掺杂在基质晶体中所形成的光频本征型超常电磁介质材料；所述两种稀土离子分别提供负介电常数和提供负磁导率；其中稀土离子总摩尔数占基质晶体摩尔数的O. 1% 10% ;两种稀土离子的摩尔比为1:1 1:10，其中提供负介电常数的稀土离子的含量不大于提供负磁导率的稀土离子的含量，且要求提供负介电常数的稀土离子的电偶极跃迁能级对和提供负磁导率的稀土离子的磁偶极跃迁能级对满足简并条件；该材料能够利用同一波长处的电偶极跃迁和磁偶极跃迁同时实现负介电常数和负磁导率，从而实现负折射率。
2.根据权利要求I所述的一种光频本征型超常电磁介质材料，其特征在于所述基质晶体为的 Y203、La2O3' Y3Al5O12' YAlO3' LiNbO3' CaffO4, YVO4、CaF2' LaF3 或 Ca5 (PO4) 3F。
3.根据权利要求I所述的一种光频本征型超常电磁介质材料，其特征在于所述稀土离子为 Pr3+、Nd3+、Sm3+、Eu3+、Gd3+、Tb3+、Dy3+、Ho3+、Er3+、Tm3+ 或 Yb3+。
4.一种如权利要求I所述的光频本征型超常电磁介质材料的制备方法，其特征在于，具体方案如下将两种稀土离子同时掺入到基质晶体中，其中稀土离子总摩尔数占基质晶体摩尔数的O.1% 10%;两种稀土离子的摩尔比为1:1 1:10，其中提供负介电常数的稀土离子的含量不大于提供负磁导率的稀土离子的含量，且要求提供负介电常数的稀土离子的电偶极跃迁能级对和提供负磁导率的稀土离子磁偶极跃迁能级对满足简并条件。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述基质晶体为的Y203、La203、Y3Al5O12,YA103、LiNb03、CaffO4, YVO4, CaF2, LaF3 或 Ca5 (PO4) 3F。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述稀土离子为Pr3+、Nd3+、Sm3+、EU3+、Gd3+、Tb3+、Dy3+、Ho3+、Er3+、Tm3+ 或 Yb3+。
7.—种如权利要求I所述的光频本征型超常电磁介质材料的应用方法，其特征在于，具体方案如下利用所选则的两种稀土离子同一波长处的电偶极跃迁和磁偶极跃迁同时实现负介电常数和负磁导率，从而实现负折射率；电磁共振跃迁的激发波长由选所择的稀土离子的能级结构决定，处于300 nnT2000 nm的波长范围内。
全文摘要
本发明属于电磁介质材料技术领域，特别涉及一种光频本征型超常电磁介质材料及其制备与应用方法。本发明以透明光学晶体为基质晶体，以三价稀土离子为掺杂离子，将两种稀土离子均匀掺杂在基质晶体中获得光频本征型超常电磁介质材料；利用所选则的两种稀土离子同一波长处的电偶极跃迁和磁偶极跃迁同时实现负介电常数和负磁导率，从而实现负折射率；电磁共振跃迁的激发波长由选所择的稀土离子的能级结构决定，处于300 nm~2000 nm的波长范围内。本发明可以在很大程度上简化材料制备工艺，实现光频的超常电磁响应，甚至可以获得负折射性质。
文档编号H01Q15/00GK102931494SQ20121044876
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月10日 优先权日2012年11月10日
发明者周济, 傅晓建, 许元达, 李勃, 兰楚文, 赵乾 申请人:清华大学