CN102129868B - 基于各向异性复合材料的信息存储方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于各向异性复合材料的信息存储方法，其首先将介电常数为各向异性的复合材料的一表面与介电常数为同性的第一普通材料相接触，再使光信号自所述复合材料的另一表面入射至所述复合材料与所述第一普通材料相接触面上，以使所述光信号的能量被储存在所述接触面上，进而可实现信息的存储，其中，所述光信号的入射角度应使其注入至所述接触面上时的一波矢分量应满足条件：
Figure D2010100227341A00011
其中，kx为波矢分量，所述波矢分量所对应的坐标方向为所述复合材料的介电常数的负值张量元所对应方向，εout是所述第一普通材料的介电常数。

Description

基于各向异性复合材料的信息存储方法
技术领域
本发明涉及一种信息存储方法，特别涉及一种基于各向异性复合材料的信息存储方法。
背景技术
各向异性的复合材料，主要是指比较新的Metamaterial，这是是一种人工制作的周期性结构，因为其中包含有金属(metal)周期性结构单元，如：金属裂口环(Split ring resonator)、金属线阵列等，这种材料因为其在特定的频率范围内同时具有负的电容率ε和磁导率μ，从而传输的光波具有左手特征。
这种材料最早由俄罗斯科学家Veselago预言，后来由英国物理学家J.B.Pendry在理论上提出了设计方案，并于2001年由R.A.Shelby小组在用直径为3毫米左右的(SRR)微波段上实验上予以实现。现在有些研究小组已经在红外，近红外等近光频区域实现了同时为负值的电容率ε和磁导率μ。这种材料有着一系列的新奇的电磁特性，诸如负折射，反常多普勒效应，克服衍射极限的超棱镜效应，其中比较重要的是可以用它来实现在微波阶段的隐形材料的设计。这种材料的介电常数通常是各向异性的，其介电常数在主轴坐标系下的各张量元通常表示为：
Figure G2010100227341D00011
其中
Figure G2010100227341D00012
由于此种材料的色散关系为双曲线，故这样的材料介质也被称之为双曲介质。
而由于现有的信息储存方式都有着这样和那样的不足：例如，以光栅、光子晶体的局域光方式的储存，因光栅、光子晶体对于频率依赖比较敏感，一旦入射波频率稍有偏差，局域功能就会大打折扣；而以表面等离激元方式的储存，因为金属的存在会有较强的吸收等等，因此，如何利用双曲介质材料独有的特性将其应用于信息储存，实已成为本领域技术人员亟待解决的技术课题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于各向异性复合材料的信息存储方法。
为了达到上述目的及其他目的，本发明提供的基于各向异性复合材料的信息存储方法，包括步骤：1)将介电常数为各向异性的复合材料的一表面与介电常数为同性的第一普通材料相接触，其中，所述复合材料的介电常数的张量元中至少一者为负值，且其与所述第一普通材料相接触面的法线方向为所述复合材料的双曲色散线的一条渐近线方向；以及2)使光信号自所述复合材料的另一表面入射至所述复合材料与所述第一普通材料相接触面上，以使所述光信号的能量被储存在所述接触面上，进而实现信息的存储，其中，所述光信号的入射角度应使其注入至所述接触面上时的一波矢分量满足条件：
Figure G2010100227341D00021
其中，kx为波矢分量，所述波矢分量所对应的坐标方向为所述复合材料的介电常数的负值张量元所对应方向，εout是所述第一普通材料的介电常数，ω是所述光信号的频率，c是所述光信号的光速。
其中，若在步骤2)之前进一步将所述复合材料的另一表面与介电常数为同性的第二普通材料相接触，且所述第二普通材料的介电常数大于所述第一普通材料的介电常数，则使光信号以大于
Figure G2010100227341D00022
的入射角自所述第二普通材料入射进入所述复合材料，进而注入至所述第一普通材料即可实现信息存储，其中，εin为所述第二普通材料的介电常数，εout为所述第一普通材料的介电常数。
此外，所述光信号可为可见光、红外光、微波、或电磁波光束或脉冲信号。
综上所述，本发明的基于各向异性复合材料的信息存储方法通过将复合材料与普通材料的接触，可使符合一定条件的入射光注入接触面后会被约束在较小的区域，从而实现信息的存储。
附图说明
图1为本发明的基于各向异性复合材料的信息存储方法的操作流程示意图。
图2为本发明的基于各向异性复合材料的信息存储方法所采用的复合材料的结构示意图及复合材料的一维光子晶体等频线示意图。
图3和图4为本发明的基于各向异性复合材料的信息存储方法中光信号入射至接触面时各波矢量示意图。
图5为本发明的基于各向异性复合材料的信息存储方法的高斯光束入射后的能量分布示意图。
具体实施方式
请参阅图1，本发明的基于各向异性复合材料的信息存储方法至少包括以下步骤：
第一步：将介电常数为各向异性的复合材料的一表面与介电常数为同性的第一普通材料相接触，其中，所述复合材料的介电常数的张量元中至少一者为负值，且其与所述第一普通材料相接触面的法线方向为所述复合材料的双曲色散线的渐近线方向。所述复合材料可为一厚度均匀的双曲介质板材(需注意的是，其厚度应为能保持介电常数的负张量元
Figure G2010100227341D00031
有效成立的厚度)，此外，也可为其它具有各向异性负张量元
Figure G2010100227341D00032
的介质材料。如图2所示，其中，(a)表示所述复合材料的结构示意图，(b)表示所述复合材料的一维周期性结构的色散关系示意图。
第二步：使光信号(例如：可见光、红外光、微波、或电磁波等等)自所述复合材料的另一表面入射至所述复合材料与所述第一普通材料相接触面上，以使所述光信号的能量被储存在所述接触面上，进而实现信息的存储，其中，所述光信号的入射角度应使其注入至所述接触面上时的一波矢分量满足条件：
Figure G2010100227341D00033
其中，kx为波矢分量，所述波矢分量所对应的坐标方向为所述复合材料的介电常数的负值张量元所对应方向，εout是所述第一普通材料的介电常数，ω是所述光信号的频率，c是所述光信号的光速。请参见图3，其为所述复合材料入射的光信号到达接触面后的波矢量ki、经接触面反射后获得的反射波的波矢量kr、及透过所述接触面的透射波的波矢量kt的关系示意图。若所述复合材料的折射率为n2，所述第一普通材料的折射率为n1，当自所述复合材料入射的光信号到达接触面后的波矢量kx、所述复合材料的透射波的波矢量kt′、所述第一普通材料的透射波的波矢量kt的关系如图4所示。
在本实施例中，以高斯脉冲的光信号入射到所述复合材料和第一普通材料的接触面上后的效果如图5所示，其中，(a)表示一个高斯光束以45角(满足)入射到所述接触面上时的磁场分量的分布示意图，(b)表示入射接触面法线上平均磁场强度相对于接触面距离的强度曲线示意图，(c)表示两个不同时刻抵达接触面的光脉冲示意图，(d)表示两个光脉冲到达接触面后14个入射光的振动周期后的场强分布示意图，显然，两个光脉冲以45°度的入射角从复合材料入射到第一普通材料的界面上，当光脉冲形状消散后，能量局域在界面的一侧，计算表明此刻的群速度沿着界面的法线方向分量是
Figure G2010100227341D00041
Figure G2010100227341D00042
kry h是双曲介质中反射波矢沿界面法线方向的分量。
此外，若将所述复合材料未与第一普通材料接触的另一表面再与介电常数为各向同性的第二普通材料接触后，再使光束以大于
Figure G2010100227341D00043
的入射角自所述第二普通材料入射进入所述复合材料，进而注入至所述第一普通材料，相应的光信号也会存储在所述复合材料和所述第一普通材料的接触面上，从而也可以实现信息的存储，其中，εin为所述第二普通材料的介电常数，εout为所述第一普通材料的介电常数。但需注意的是，第二普通材料的介电常数εin应大于所述第一普通材料的介电常数εout。而光信号可以为可见光、电磁波、红外光或微波等等。
对于所述复合材料，经过分析和数值模拟可见：当光束从这种双曲介质(εh)材料中入射到普通介质(εd)材料的界面上时，当界面垂直于复合材料色散双曲线的一条渐近线时，并且当入射波矢在界面上的分量满足一定条件后，其透射波是衰逝波，而反射波的群速度几乎为零，如果入射波是一个脉冲，那么到达界面时，它几乎被停留在界面上，即：沿着群速度沿着界面法向方向的分量几乎为零，而沿着界面群速度切向分量也很小，可达到“慢光、停光”效果，而且可具有“宽频”、“对入射角度不敏感(在一定角度范围内)”等特性。此外，双曲色散介质并不仅限于电磁波体系，而且存在于其它波中，例如声波、水波、弹性波和“物质波”(量子波，即微观粒子，例如：电子)之中，所以在类似的“双曲色散介质——普通介质表面”，这种停波、慢波效应是普遍存在的，相关“特性”具有普遍性。正是由于入射的光脉冲被约束在界面上很薄的一个区域内，达到光强很强，并实现慢光和停光的目的，因此，可以广泛用于光信息存储、读写、光电信息处理、脉冲压缩、光伏器件、非线性器件等等。
综上所述，本发明的基于各向异性复合材料的信息存储方法通过将各向异性的复合材料与普通材料相接触，使光信号由复合材料入射至普通材料，并被约束在接触面上，从而实现信息的存储，此种方法相较于现有信息存储方式，有着很多优点：如适应频率范围宽、稳定、以光子晶体实现的带结构的等效各向异性吸收较少等；此外这种导致界面的慢光效应还可以用于增强光学上非线性效应。
上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (4)

1.一种基于各向异性复合材料的信息存储方法，其特征在于包括步骤：
1)将介电常数为各向异性的复合材料的一表面与介电常数为同性的第一普通材料相接触，其中，所述复合材料的介电常数的张量元中至少一者为负值，且其与所述第一普通材料相接触面的法线方向为所述复合材料的双曲色散线的一条渐近线方向；
2)使光信号自所述复合材料的另一表面入射至所述复合材料与所述第一普通材料相接触面上，以使所述光信号的能量被储存在所述接触面上，进而实现信息的存储，
其中，所述光信号的入射角度应使其注入至所述接触面上时的一波矢分量满足条件：
Figure FSB00000879920800011
其中，kx为波矢分量，所述波矢分量所对应的坐标方向为所述复合材料的介电常数的负值张量元所对应方向，ω是所述光信号的频率，c是所述光信号的光速，εout是所述第一普通材料的介电常数。
2.如权利要求1所述的基于各向异性复合材料的信息存储方法，其特征在于在步骤2)之前步骤1)之后进一步包括将所述复合材料的另一表面与介电常数为同性的第二普通材料相接触的步骤，其中，所述第二普通材料的介电常数大于所述第一普通材料的介电常数；所述光信号以大于
Figure FSB00000879920800012
的入射角自所述第二普通材料入射进入所述复合材料，进而注入至所述第一普通材料以实现信息存储，其中，εin为所述第二普通材料的介电常数，εout为所述第一普通材料的介电常数。
3.如权利要求1所述的基于各向异性复合材料的信息存储方法，其特征在于：所述光信号为光束或光脉冲。
4.如权利要求1或3所述的基于各向异性复合材料的信息存储方法，其特征在于：所述光信号为可见光、红外光以及微波中的一种。
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