1.6.1. Hiện tượng khúc xạ âm
Hiện tượng khúc xạ giữa 2 môi trường có chiết suấtn1vàn2được mô tả thông qua định luật Snell:
n1sinθ =n2sinφ (1.51)
vớiθ vàφ tương ứng là góc tạo bởi tia tới và tia khúc xạ với pháp tuyến của mặt phân cách giữa 2 môi trường. Nếu môi trường 1 được đặc trưng bởi chiết suất dương và môi trường 2 có chiết suất âm thì khi đóφ sẽ mang giá trị âm. Hay nói cách khác, tia khúc xạ sẽ nằm cùng phía với tia tới tạo bởi pháp tuyến. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng khúc xạ âm.
Hình 1.15: Hiện tượng khúc xạ khi sóng điện từ truyền từ môi trường chiết suấtdương sang môi trường chiết suất âm và đi ra [51]. dương sang môi trường chiết suất âm và đi ra [51].
Hình 1.15 mô phỏng sự khúc xạ âm khi sóng truyền từ môi trường với ε >0,
µ >0vào trong môi trường cóε<0,µ <0, và đi ra [51]. Ngoài ra ta cũng dễ nhận thấy, vector sóngkkhi truyền trong môi trường có chiết suất âm đã bị đảo chiều. Điều này cũng cho ta biết rằng trong môi trường cón<0, vận tốc pha và vận tốc nhóm sẽ truyền ngược chiều nhau. Vì thế vật liệu chiết suất âm còn được biết đến với tên gọi LHM, giống như đã phân tích ở phần 1.1
Hình 1.16: Môi trường left-handed (trái) và môi trường right-handed (phải).
1.6.2. Hiệu ứng Doppler ngược
Hình 1.17: So sánh hiệu ứng Doppler xảy ra trong môi trường chiết suất dương vàmôi trường chiết suất âm. môi trường chiết suất âm.
Khi một đầu thu bức xạ phát ra từ 1 nguồn đứng yên chuyển động trong môi trường đồng nhất, tần số bức xạ ghi nhận được sẽ phụ thuộc vào vận tốc tương đối giữa đầu thu và nguồn phát xạ. Hiện tượng này được biết đến với tên gọi là hiệu ứng Doppler. Nếu đầu thu tiến về phía nguồn, các mặt đầu sóng và đầu thu chuyển động ngược chiều nhau trong trường hợp môi trường có chiết suất dương. Vì thế, tần số mà đầu
thu ghi nhận được sẽ cao hơn tần số đo được trong trường hợp đầu thu đứng yên. Tuy nhiên, trong trường hợp môi trường có chiết suất âm, sóng điện từ là sóng ngược nên các mặt đầu sóng chuyển động hướng về phía nguồn. Do đó, đầu thu và các mặt đầu sóng lúc này lại chuyển động cùng hướng với nhau. Kết quả là tần số mà đầu thu ghi nhận được sẽ thấp hơn tần số đo được trong trường hợp đầu thu đứng yên.
Độ dịch chuyển tần số vừa đề cập có thể được biểu diễn thông qua công thức:
∆ω =±ω0 v
vp (1.52)
ở đóω0 là tần số bức xạ phát ra bởi nguồn,vlà vận tốc chuyển động của đầu thu so với nguồn vàvp là vận tốc pha của sóng trong môi trường. Dấu±tương ứng với môi trường thông thường/môi trường chiết suất âm. Phương trình trên có thể được viết lại một cách cụ thể hơn như sau:
∆ω =ω0nv
c (1.53)
với nlà chiết suất của môi trường vàclà vận tốc của ánh sáng trong chân không. Ở đây,∆ω được định nghĩa là hiệu giữa tần số ghi nhận tại đầu thu và tần số dao động của nguồn. Vận tốcvlà dương khi đầu thu chuyển động hướng về nguồn. Rõ ràng, với
n<0vàv>0, độ dịch tần số là âm. Điều đó có nghĩa là tần số ghi nhận được sẽ thấp
hơn giống như những gì ta đề cập ở trên.
1.6.3. Bức xạ Cherenkov ngược
Bức xạ Cherenkov là bức xạ điện từ phát ra khi một hạt đi vào môi trường với vận tốc lớn hơn vận tốc ánh sáng trong môi trường đó. Trong môi trường chiết suất dương thông thường, các mặt đầu sóng hình cầu bức xạ bởi hạt trở nên chậm hơn so với chuyển động của hạt và do đó làm xuất hiện một sóng xung kích di chuyển về phía trước được biết đến với tên gọi là bức xạ Cherenkov. Gócθ tạo bởi sóng và vector vận tốc của hạt chuyển động được xác định bởi công thức
cosθ = c
nv (1.54)
trong đó c/n là vận tốc của ánh sáng trong môi trường đang xét và v là vận tốc của hạt.
Hình 1.18: Bức xạ Cherenkov trong môi trường chiết suất dương (trái) và môi trường chiết suất âm
(phải). Ngược lại, nếu môi trường
có chiết suất âm, sóng là sóng ngược nên các mặt đầu sóng di chuyển về phía nguồn. Các mặt đầu sóng lúc này sẽ xuất hiện phía trước hạt. Do đó sóng xung kích xuất hiện sẽ di chuyển ngược về phía sau và tạo một góc tù với hướng chuyển động của hạt.