光學(xué)效應(yīng)與介質(zhì)微結(jié)構(gòu)的對稱性.pdf

1、近來，多鐵材料由于其重要的理論價值和廣泛的應(yīng)用前景而備受關(guān)注。多鐵材料指鐵磁性、鐵電性或鐵彈性同時共存的材料，是同時具有時間反演和空間反轉(zhuǎn)對稱性破缺的材料，因此具有一些特異的光學(xué)性質(zhì)。例如，可以產(chǎn)生與光的極化態(tài)無關(guān)的光學(xué)效應(yīng)：取向雙折射或二向色性，或具有非互易的傳播特性，即所謂光磁電效應(yīng)。對于一般的材料，從外界同時施加相互垂直的電場（E）和磁場（B），也可以導(dǎo)致時空對稱性同時破缺的環(huán)境。因此，相互垂直的電場和磁場（E×B）與光的波矢方向

2、平行和反平行時的折射率或吸收系數(shù)將有差別。對于多鐵材料，由于本身具有內(nèi)稟的對稱破缺特性，從而無須施加外界電場或磁場即可實現(xiàn)光的非互易的取向雙折射。對這種與光極化狀態(tài)無關(guān)的光學(xué)效應(yīng)的研究，不僅在理論上具有重要的學(xué)術(shù)價值，應(yīng)用上也有著廣闊的前景，已成為凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)界的前沿和熱點課題。 本文重點研究了與介質(zhì)對稱性相關(guān)的磁光效應(yīng)以及與極化無關(guān)的非互易光磁電效應(yīng)。主要集中在： 1．可控的磁光克爾效應(yīng) 我們針對實現(xiàn)磁

3、光效應(yīng)可調(diào)這一目標，利用液晶的物理性質(zhì)會隨外電場、磁場或溫度而發(fā)生非常顯著變化的特點，首次將液晶材料引入磁光子晶體中，應(yīng)用快速Berreman矩陣方法計算了系統(tǒng)的磁光克爾效應(yīng)。這是一種新的調(diào)節(jié)磁光效應(yīng)的方案。液晶作為各向異性材料，處理其光學(xué)行為是比較復(fù)雜的，需要計算液晶指向矢的空間分布情況，有很大的計算量。為了簡便起見，我們在第二章第一部分首先視液晶為近似各向同性材料，利用其非常光折射率隨著外電壓改變而變化的特性進行計算。為了獲得更精確

4、的結(jié)果，我們進一步在連續(xù)彈性體理論的基礎(chǔ)之上，根據(jù)自由能極小的原理，采用牛頓法計算了液晶指向矢在不同位置時的分布情況，并進而相對準確地提供了磁光克爾效應(yīng)的值。我們的工作不僅對磁光子晶體的磁光效應(yīng)的可控性做出了新的理論預(yù)測，更為進一步開展有關(guān)的實驗工作提供了良好的基礎(chǔ)。此外，在第二章第二部分我們應(yīng)用磁性材料的特性隨著外磁場以及溫度變化的特點，提出實現(xiàn)磁場控制磁納米線復(fù)合物負折射率的方案。 2．運動介質(zhì)的光磁電效應(yīng) 實現(xiàn)和增

5、大光磁電效應(yīng)是一個重要的研究課題。我們提出一個各向同性運動介質(zhì)實現(xiàn)光磁電效應(yīng)的新方案。運動介質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系與反鐵磁材料的本構(gòu)關(guān)系具有很大的相似之處，而反鐵磁Cr2O3的旋磁雙折射計算過程相對復(fù)雜，它將磁感應(yīng)強度折算到電極化矢量中，給出了反鐵磁材料有效的電極化矢量進行計算。我們發(fā)展了一種將電磁波方程和本構(gòu)方程直接耦合的方法來計算磁電介質(zhì)的光學(xué)效應(yīng)，這樣的算法簡單而直接，適用性強。我們的計算結(jié)果表明：介質(zhì)的運動所產(chǎn)生的各向異性將直接導(dǎo)致兩個相

6、反方向的波矢量大小的差異，而這正是光磁電效應(yīng)的實質(zhì)。這是由于物質(zhì)的運動帶來各向異性的電磁環(huán)境，從而電位移矢量和磁感應(yīng)強度之間出現(xiàn)交叉耦合項，我們可以稱之為“贗磁電耦合”項，正是它的存在直接導(dǎo)致了運動介質(zhì)的光磁電效應(yīng)。用介質(zhì)的運動來實現(xiàn)光磁電效應(yīng)的方案，創(chuàng)新性在于它與介質(zhì)的運動速度和內(nèi)稟折射率直接關(guān)聯(lián)，可通過它們來調(diào)節(jié)光磁電效應(yīng)的強弱，而且它擴大了選用材料的范圍。我們的工作也提供了增強光磁電效應(yīng)的可能性。 3．磁光子晶體極化無關(guān)取

7、向各向異性光效應(yīng) 對于周期單元由磁性材料和兩個各向異性的介電材料組成的磁光子晶體，它包含了時間和空間對稱性的破缺。由于光磁電效應(yīng)極化無關(guān)的特性，我們將必須討論非極化的電磁波與物質(zhì)之間的相互作用，這就要求我們運用與以往討論極化相關(guān)光學(xué)效應(yīng)不同的理論處理方法。一般來講，若需要討論自然光和物質(zhì)之間的相互作用，我們必須把瓊斯（Jones）矩陣轉(zhuǎn)化為穆勒（Muller）矩陣。穆勒矩陣多見于處理天體以及混沌問題，我們首次采用這樣的矩陣計算了