可见电磁波在金属/空气界面传输特性实验研究

论文摘要

Snell定律揭示了光在穿越由不同介质构成的界面时的传播和折射规律,这是现代物理光学和几何光学的基础,也是精密光学系统的特性受到限制的物理原因。改进的途径是设法寻找到负折射率材料,与正折射率材料匹配在一起,预期可形成完美光学透镜。这虽然是多年前理论研究的预言,但在相当长时期内,在自然界中未发现违背Snell定律的天然负折射率材料存在。随着新材料制备原理和技术的进步和发展,国际上首次在微波区发现了金属基人工微结构材料可产生负折射率效应,导致了在广泛领域内对于负折射率材料结构和制备的浓厚兴趣,并引发了学术界对于光在金属基结构中传播特性更深入的理论和实验研究的兴趣和争议。这触及到对核心光学原理的深刻认识和修改,以及所伴随产生的一系列与传统光学原理和规律尖锐冲突的问题,并延伸研究到很多方面,如负折射、人工材料、光子晶体、表面等离子体等,都成为近年来最热门的前沿研究课题,大量理论和实验结果发表在Nature,Science和PhysicalReview Letter等国际核心期刊上,促使世界范围内的研究小组通过各种不同的实验方法和理论模拟,积极探索这些感兴趣的核心问题。在本论文工作中,围绕上述核心科学问题,通过制备一系列入射角精确可控的贵金属（Au和Ag）基样品,对于光在最简单的天然贵金属界面传播时发生由负到正的折射率效应进行了定量实验测量,在Snell定律的框架下,首次获得了表观折射率值与入射和折射角的定量关系,并对其机理进行了深入的讨论和分析,以可靠的实验数据,致力于澄清目前发生在理论和实验研究领域对这一问题的分歧和争议,并促进这些新效应在新型光电子材料和器件领域获得应用和推广。在本论文工作中,首先围绕以Snell定律为框架的光学原理进行了历史的回顾,描述了这一重要定律的发现过程及其在现代光物理和光工程领域的奠基作用。虽然对于光在金属界面传输的理论研究方面已有了前期研究和积累,但在实验研究方面仍很困难。因此,在本论文中对测量光在金属界面的实验过程和结果进行了详细的描述。在研究中选择了在可见光区的折射率值小于1并接近于零的贵金属Au和Ag以及参考Si等样品,制备成具有棱镜形状的楔型样品。采用了速率可控的射频溅射方法,在真空条件下线性和精确控制掩膜板和样品位移,制备了一系列具有不同楔型角的金属样品,并采用椭圆偏振光谱等方法对样品的光学常数等物理量进行了测量。针对金属样品的高吸收和浅透入深度的特性,采用了可见光区三个不同波长（λ=473nm、532nm、632.8nm）的单色激光,以不同的系列入射角入射到金属/大气界面。激光束被远距离投影到屏幕上,克服大气扰动、环境振动等对测量的影响和困难,实现了对于发生在纯金属界面的微小折射偏移量的准确测量。在论文研究中,围绕所获得的在不同波长下光在金属边界的折射角发生从负到正的变化规律,以详实的分析和依据对于有可能导致奇异光折射现象的各种争议性机理进行了细致探索和讨论,包括表面和体等离子共振效应、负磁导率效应、Goos-H（a|¨）nchen效应、光在金属基界面的传播路径、由折射率色散特性所决定的快慢光子行为等效应。通过对贵金属Au和Ag的光学常数的色散特性分析和数值计算,发现在可见光的Drude光谱区,表征光子能量传播方向的群速度和群折射率的值会随光子能量的增大而发生从负到正的改变,这与本论文研究的实验测量和观察结果相符合。因此,本研究工作中所获得的结果将增加人们对经典物理光学中最基本定律的认识和理解,无论是在理论还是应用上都有着现实的意义,能促使人们更好地认识基于Snell定律的电磁波在物质中的传播规律。本论文获得的结果及其后续工作将启发和激励人们对于自然界中的这些有趣的现象和问题进行更深入的研究和理解,并将为新型微纳结构的光电子功能材料和器件的研制和应用建立基础。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 研究背景
• 1.2 重要的光学发现——折射定律
• 1.3 微粒、波动还是量子——对光的本质的研究
• 1.4 在争论中被不断深化的认识
• 第二章 光折射研究的新进展
• 2.1 光的负折射现象及其研究
• 2.2 本研究工作的意义
• 第三章 实验和结果
• 3.1 样品生长与控制系统
• 3.2 生长控制系统的改进
• 3.3 样品测量系统结构
• 3.4 测量系统的改进
• 3.5 样品的测量与数据结果
• 第四章 讨论
• 4.1 电磁波在介质中的传播
• 4.2 Drude模型中等离子共振条件
• 4.3 光在金属基界面的传输路径
• 4.4 负磁导率效应
• 4.5 Goos-Hanchen效应
• 4.6 表观折射率与群速度之间的关系
• 4.7 快慢光子
• 第五章 小结
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文