可見(jiàn)光波段電磁波在金屬-空氣界面?zhèn)鬏斠?guī)律實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、早在17世紀(jì)Snell和Descartes發(fā)現(xiàn)光線穿越由不同介質(zhì)構(gòu)成的界面時(shí)會(huì)發(fā)生折射的現(xiàn)象,被稱(chēng)為Snell折射定律,成為奠定現(xiàn)代光學(xué)原理的重要基石之一。這一定律被廣泛應(yīng)用于透明物質(zhì),但應(yīng)用在金屬吸收介質(zhì)(即光線通過(guò)吸收介質(zhì)/介質(zhì)邊界)時(shí)的情況,至今仍是一個(gè)未被很好解決的難題。即使對(duì)于最簡(jiǎn)單的情況,假設(shè)由金屬和大氣構(gòu)成的界面,電磁波穿越金屬/空氣邊界時(shí)發(fā)生的折射可由Snell公式表達(dá):n1sinα=～n2sin～β,式中空氣的折射率n

2、1=1,α是空氣一側(cè)的入射角,～n2是金屬的復(fù)折射率,因此,折射角～β也將是復(fù)角。但實(shí)際上,復(fù)數(shù)角～β只是一個(gè)數(shù)學(xué)上的概念,缺少與其對(duì)應(yīng)的物理意義,光線在物質(zhì)中的傳播路徑必須為實(shí)數(shù)。
　　 國(guó)際上較早對(duì)這個(gè)問(wèn)題的討論是在Kudykina的文獻(xiàn)中[l],對(duì)于垂直入射吸收介質(zhì)的光電磁波的s分量進(jìn)行了討論,得出該情況下Snell定律是和在普通介質(zhì)中形式一樣。另一種討論[2]是通過(guò)對(duì)一般的Snell公式(n1sinα=～n2sin～β)

3、進(jìn)行數(shù)學(xué)變換進(jìn)行的,即～n→n(1+ik),在此基礎(chǔ)上,給出了實(shí)數(shù)β角和n2的推導(dǎo)表達(dá)式。但這些結(jié)果并沒(méi)有在實(shí)驗(yàn)上給予充分驗(yàn)證和給出更完整的理論解釋[3]。
　　 至今,對(duì)于這個(gè)問(wèn)題的解釋仍然沒(méi)有定論,而與之相關(guān)的很多方面(如負(fù)折射[4-7]、人工材料(LHM)[8-10]、光子晶體[11-13]、金屬環(huán)諧振器(SRR)、表面等離子體[14-15]等)都成為近年來(lái)最熱門(mén)的話題,頻頻出現(xiàn)在Nature,Science,Physic

4、al Review Letter等一流雜志上,世界范圍內(nèi)的研究小組通過(guò)各種不同的實(shí)驗(yàn)和理論模擬,都在探索與本領(lǐng)域相關(guān)的問(wèn)題,人們也正越來(lái)越接近這個(gè)歷史性謎題的答案。
　　 本工作對(duì)電磁波在金屬中傳播的復(fù)折射率這一問(wèn)題進(jìn)行了初步研究,特別地對(duì)于可見(jiàn)光波段電磁波,通過(guò)測(cè)量它在通過(guò)金屬/空氣邊界的實(shí)際折射角β和相應(yīng)的等效折射率n2值,對(duì)其折射率性質(zhì)進(jìn)行了研究。
　　 本工作采用了光程放大原理對(duì)極微小的物理量——折射角進(jìn)行了測(cè)量

5、,設(shè)計(jì)了光線從楔形金屬樣品底邊垂直入射的光路結(jié)構(gòu),分析了光線在通過(guò)金屬吸收介質(zhì)/空氣邊界上的折射規(guī)律。在研究中,首先采用單一波長(zhǎng)激光光源觀察了光在金/空氣界面的折射現(xiàn)象,通過(guò)實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)量方法的改進(jìn),使得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量的穩(wěn)定性有了很大的提高。接著又系統(tǒng)地選用了三種有代表性的不同波長(zhǎng)的光源,制備了一系列樣品,對(duì)光在金/空氣和銀/空氣界面的折射角進(jìn)行了細(xì)致的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和完整地?cái)?shù)據(jù)分析,獲得了有規(guī)律性的結(jié)果。最后,還結(jié)合Drude模型對(duì)光學(xué)常數(shù)的