[发明专利]一种光频本征型超常电磁介质材料及其制备与应用方法

说明书

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1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辐射效应等。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0.1％～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Y₂O₃、La₂O₃、Y₃Al₅O₁₂、YAlO₃、LiNbO₃、CaWO₄、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0.1％～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Y₂O₃、La₂O₃、Y₃Al₅O₁₂、YAlO₃、LiNbO₃、CaWO₄、YVO₄、CaF₂、LaF₃或Ca₅(PO₄)₃F。