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左手材料是指同时具有负介电常数和负磁导率的人工复合材料。电磁波在这样的材料中传播时,电场、磁场和波矢的方向成左手螺旋关系,所以这种材料被称为左手材料。左手材料具有许多独特的电磁特性,其中最重要的是负折射,因此左手材料也被称为负折射率材料。此外,左手材料还具有逆多普勒效应,反常切伦柯夫辐射等性质。当电磁波从右手材料入射到左手材料板将会发生负折射,因此一块左手材料平板可以作为透镜聚焦点光源。左手材料平板透镜可以放大消逝波,从而近场消逝波可以达到像平面。因此由左手材料平板构成的透镜可以突破传统透镜的衍射极限成超清晰像。左手材料和负折射现象,自2001年被实验实现以来,已经成为世界上物理、光学、材料、电子学等领域的研究热点。目前大最的工作集中在实现负折射的超常电磁材料和超透镜上。
本文主要研究左手材料平板透镜系统中的光束传输性质。首先,我们研究左手材料平板透镜的光束聚焦和相位补偿现象。利用傅里叶光学中的光束角谱表述,我们研究了傍轴高斯光束在左手材料平板透镜的传输性质。通过傍轴近似的方法,我们可以方便的研究光束在各向同性平极透镜中的相位补偿和光束的聚焦。由于负的折射率,我们引入了反的Gouy相移和负的瑞利距离。在左手材料平板透镜系统中,我们发现光束在正折射率介质中传输产生的相差可以被其在左手材料板传输的产生的相差完全补偿。在特定的条件下,物平面的相位和强度分布可以在像平面实现完全重构,形成无强度和无相位畸变的像。我们将研究偏振不敏感平板透镜系统中的光束传输性质。我们建议利用准各向同性介质去构造一个偏振不敏感透镜。在准各向同性介质中,电偏振波和磁偏振波拥有完全相同的传输性质。但由于其各向异性性质,准各向同性透镜只能在傍轴传输条件下才能成无相散的像。通过傍轴近似的方法,我们可以方便的研究光束在偏振不敏感平板透镜系统中的相位补偿和光束的聚焦。在描述光束偏振不敏感性质中,我们对两种偏振光分别引入了反Gouy相移和负瑞利距离。我们发现光束在正折射率右手介质中传输的相差可以被其在左手材料平板中传输所产生的相差完全补偿。当平板透镜的材料参数同时满足相位匹配和强度聚焦条件时,在物平面的强度和相位分布可以在像平面实现完全重构。通过数值模拟,我们发现偏振不敏感透镜可以放大消逝波,因此可以实现亚波长成像。我们将研究涡旋场在左手材料板展现的反常传输现象。通过光束的角谱表述,我们描述了有标准的高斯光束和拉盖尔高斯光束相干形成的涡旋场在各向同性左手材料平板透镜系统的传输行为。当涡旋场从正常的右手材料入射到左手材料平板透镜中后,其波矢面将发生相反方向旋转。我们进一步发现l>0模式的拉盖尔高斯光束在左手材料中将和l<0模式的拉盖尔高斯光束在右于材料介质中拥有完全相同的传输现象。出于反的Gouy 相移和负的瑞利距离,涡旋场的坡印廷矢量也将发生反旋转。我们还发现右旋偏振光在左手材料中将和左旋偏振光在右手材料介质中也拥有完全相同的传输现琢。当其相位匹配和强度聚焦条件成立时,涡旋场在物平面和像平面之间的总旋转为零。通过调节两相干光束之间的相位差,我们可以精确的控制涡旋场的旋转。左手材料板透镜具有无相位和无强度畸变的优越性,使其在光学操纵上拥有广阔的应用前景。