基于亞波長金屬微結(jié)構(gòu)的光場調(diào)控.pdf

1、光學(xué)和凝聚態(tài)物理是物理學(xué)中兩大分支學(xué)科，而研究材料的光學(xué)特性是這兩大學(xué)科的交叉領(lǐng)域。光在材料中傳播性質(zhì)是由經(jīng)典的麥克斯韋方程描述。從有效媒質(zhì)理論出發(fā)，方程中人們引入了描述材料與光相互作用的兩個重要參數(shù)ε和μ。原則上來說，只要能夠改變ε和μ，我們就可以根據(jù)需要調(diào)控光波的傳播性質(zhì)。雖然自然界中大多數(shù)材料都能對光響應(yīng)，但受限于常規(guī)材料的限制，能夠?qū)崿F(xiàn)一些特殊的光響應(yīng)一直以來是人們夢寐以求的。近年來，由特殊的人工金屬納米微結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的微結(jié)構(gòu)材

2、料，實現(xiàn)了在常規(guī)材料中難以實現(xiàn)的一些非常有趣的現(xiàn)象，如負(fù)折射(negative refraction)、超透鏡(super lens)、隱形斗篷(invisible cloaking)等，在21世紀(jì)初的科學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。鑒于目前對亞波長金屬微結(jié)構(gòu)的發(fā)展和研究，對光場的調(diào)控往往關(guān)注的是宏觀的對振幅、位相(色散)的調(diào)控，很少關(guān)注對反映光場矢量特性的偏振的調(diào)控，系統(tǒng)的研究光與金屬微結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的金屬微結(jié)構(gòu)材料的相互作用對于實現(xiàn)光場在亞

3、波長尺度的調(diào)控有著重要的意義，特別是在亞波長尺度實現(xiàn)光場的偏振調(diào)控。本論文的主要內(nèi)容是研究基于幾類亞波長金屬微結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的金屬微結(jié)構(gòu)材料與光場的相互作用，從而實現(xiàn)對光場的振幅、位相、偏振的調(diào)控。
　　 在前人已有的工作基礎(chǔ)之上，做了如下的具體工作：
　　 (1)干涉相消現(xiàn)象不僅僅存在于量子體系中，也普遍的存在于經(jīng)典體系中。從克服實現(xiàn)電磁感應(yīng)透明現(xiàn)象的苛刻條件出發(fā)，在經(jīng)典世界中尋找于量子體系中類似的現(xiàn)象，一直以來是人們夢

4、寐以求的。利用亞波長金屬微結(jié)構(gòu)材料中的干涉相消模式，形成光傳輸?shù)耐该鞔翱?，并且在透明窗口附近具有非常?qiáng)的色散，從而實現(xiàn)對光場的位相調(diào)控，實現(xiàn)對光群速度的減慢。利用亞波長金屬微結(jié)構(gòu)材料中的干涉相消模式，設(shè)計了具有強(qiáng)色散的透明窗口，來類比在原子體系中的電磁感應(yīng)透明機(jī)制，及Fano共振，并在實驗上加以驗證，為其它學(xué)科的研究提供參考和借鑒。本章中還就如何在金屬微結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的金屬微結(jié)構(gòu)材料中實現(xiàn)Fano共振及推廣的Fano-Feshbach共振

5、做了細(xì)致的討論。
　　 (2)對于構(gòu)成亞波長金屬微結(jié)構(gòu)材料的微結(jié)構(gòu)單元，人們往往關(guān)注于非常簡單且具有高對稱性的微結(jié)構(gòu)單元的有效的電磁學(xué)響應(yīng)特性，而忽略對于微結(jié)構(gòu)單元本身的幾何結(jié)構(gòu)對稱性對于整個金屬微結(jié)構(gòu)材料的電磁學(xué)特性的影響。利用微結(jié)構(gòu)材料中的金屬微結(jié)構(gòu)單元的對稱性來實現(xiàn)電磁波的非對稱傳輸。在詳細(xì)討論圓偏振電磁波非對稱傳輸起源的基礎(chǔ)上，分析了實現(xiàn)線偏振電磁波的非對稱傳輸?shù)目赡苄裕徊⑶以O(shè)計了相應(yīng)的金屬微結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)僅對線偏振電磁波的

6、非對稱傳輸，而對圓偏振電磁波的對稱傳輸，并且加以驗證。
　　 (3)光場的角動量分為兩類：自旋角動量(SAM)和軌道角動量(OAM)。自旋角動量一般來說與光波的圓偏振相關(guān)。軌道角動量(OAM)通常與垂直于光傳播軸方向平面內(nèi)的位相分布相關(guān)。在亞波長金屬孔中，當(dāng)入射的電磁波為圓偏振時，攜帶自旋角動量(SAM)，在金屬小孔附近(近場區(qū)域)會產(chǎn)生縱向場分量的渦旋，我們揭示了當(dāng)入射光攜帶自旋角動量(SAM)時，產(chǎn)生縱向場分量渦旋的微觀物理

7、機(jī)制，并且發(fā)現(xiàn)電場和磁場的縱向分量均出現(xiàn)渦旋。進(jìn)一步分析表明，能流的橫向分量呈現(xiàn)與入射的圓偏振電磁波相關(guān)的渦流，這對操控微納粒子有著潛在的應(yīng)用。同時，還詳細(xì)闡明了表面等離激元模式對近場光學(xué)渦旋產(chǎn)生所起的作用。
　　 (4)在討論光學(xué)角動量時，我們往往的落腳點在光束的范圍內(nèi)討論的，意味著光束束腰的尺度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其波長，也就是我們經(jīng)常考慮的傍軸近似的情況，此種情況下光學(xué)角動量的自旋部分與軌道部分是可以分開來討論的。當(dāng)我們所研究的尺度

8、在波長范圍或是比波長范圍要小，即亞波長尺度，傍軸近似不再適用，光學(xué)角動量也不在能夠那么容易區(qū)分。亞波長金屬微結(jié)構(gòu)作為能夠在亞波長尺度范圍內(nèi)實現(xiàn)與光場有效相互作用的基本單元，我們基于對亞波長金屬微結(jié)構(gòu)陣列中的增強(qiáng)透射與偏振選擇特性，利用金屬微結(jié)構(gòu)單元在增強(qiáng)透射(EOT)峰處的非常強(qiáng)的偏振選擇特性，構(gòu)造了在亞波長尺度非均勻的各向異性的等效微結(jié)構(gòu)材料，從而可在亞波長尺度調(diào)控光與微結(jié)構(gòu)單元的相互作用，可以有效地研究在這個尺度上的光的自旋到軌道的