特異性光學(xué)材料的拓?fù)涮匦耘c表面光學(xué)態(tài)傳播特性研究.pdf

1、近年來超材料的發(fā)展受到世界矚目，研究者期望利用它極高的可控性來駕馭光的傳播。到目前為止，超材料已經(jīng)被用來實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率材料，雙曲型材料，雙各向異性材料，手性材料等光學(xué)材料，擁有自然界中不易獲得或不可能獲得的光學(xué)性質(zhì)。近些年的研究熱點(diǎn)集中于將超材料用于偏振片，波帶片，光學(xué)隱身，超分辨率成像，光學(xué)全吸收，光學(xué)全息，光學(xué)計(jì)算等應(yīng)用型研究，但對(duì)于其拓?fù)涔鈱W(xué)的特性缺乏系統(tǒng)認(rèn)識(shí)。由于超材料往往是具有強(qiáng)色散的光學(xué)材料，更廣義的說是目前領(lǐng)域內(nèi)缺乏對(duì)強(qiáng)色散

2、光學(xué)材料拓?fù)涮匦缘难芯抗ぷ鳌１疚闹饕⒆阌谕負(fù)涔鈱W(xué)的發(fā)展趨勢(shì)，研究了強(qiáng)色散材料拓?fù)涮匦?，并進(jìn)行充足的基礎(chǔ)物理和模擬實(shí)驗(yàn)研究。這一部分主要實(shí)現(xiàn)的工作有：
　　第一、首次在理論上預(yù)測(cè)手性雙曲超材料的拓?fù)湫再|(zhì)及其拓?fù)浔碜o(hù)面態(tài)，利用光學(xué)獨(dú)特的自旋軌道耦合特性，預(yù)測(cè)了手性雙曲超材料等頻率面的陳數(shù)。首次理論計(jì)算出手性雙曲材料上拓?fù)浔Ｗo(hù)表面態(tài)的空間色散曲線，發(fā)現(xiàn)其具有與光學(xué)Floquet拓?fù)浣^緣體相似的傳播特性。在模擬中觀測(cè)了其拓?fù)浔Ｗo(hù)特性。<

3、br>　　第二、首次在微波波段設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)具有復(fù)雜光學(xué)響應(yīng)的低對(duì)稱型手性雙曲超材料。我們創(chuàng)造性的通過薄膜近似法和能待求解法相結(jié)合的方法，為今后微波波段超材料甚至高頻的可見光波段和紅外波段超材料的設(shè)計(jì)方法提出了合理的技術(shù)路線。通過設(shè)計(jì)微波波段的手性雙曲超材料，我們成功驗(yàn)證了其理論研究結(jié)果。
　　第三、提出手性雙曲超材料的哈密頓量的理論，從基礎(chǔ)物理層面更加深入的了解超材料的拓?fù)涮匦?。我們從超材料的色散模型出發(fā)成功首次推導(dǎo)出手性超材料的哈密

4、頓量理論，并利用其研究手性雙曲超材料的拓?fù)涮匦?，找到了豐富的物理內(nèi)涵，為更好地理解超材料中的拓?fù)涮匦源蜷_開端，為今后利用強(qiáng)色散材料設(shè)計(jì)拓?fù)涔鈱W(xué)器件打下基礎(chǔ)，其中哈密頓量理論也可能用于手性材料的有限時(shí)域微分(FDTD)模擬。
　　第四、首次在自然界中便存在的磁化等離子體中找到光學(xué)外爾粒子，通過構(gòu)建磁化等離子體的哈密頓量，證明了外爾粒子是這個(gè)光學(xué)系統(tǒng)中唯一的貝里曲率來源。提出了通過測(cè)量反射光的方法測(cè)量外爾粒子在動(dòng)量空間中的位置，并預(yù)測(cè)

5、了其反射光的動(dòng)量空間半平面手性的反射光偏振特性。這個(gè)性質(zhì)可以被稱作磁化等離子體中外爾粒子的標(biāo)識(shí)，可以通過其手性偏振旋轉(zhuǎn)在動(dòng)量空間中的位置判斷外爾粒子的手性。其中我們發(fā)展了磁化等離子體的k-p定理，外爾粒子的特性可以完美的由此定理推導(dǎo)出的有效哈密頓量來解釋。最后，我們找到連接手性不同的外爾粒子的拓?fù)浔砻鎽B(tài)，并提出了其測(cè)量方法。這個(gè)工作改變了領(lǐng)域內(nèi)只在復(fù)雜的周期結(jié)構(gòu)中尋找光學(xué)外爾粒子的現(xiàn)狀，為光學(xué)外爾粒子提供了另一種研究平臺(tái)。
　　另

6、外，根據(jù)目前學(xué)界對(duì)于光子的自旋軌道耦合的研究現(xiàn)狀，完成了以下工作：
　　第一、通過Maxwell-Garnett有效介質(zhì)理論設(shè)計(jì)完成通信波段內(nèi)的雙軸各向異性雙曲材料，實(shí)現(xiàn)它上面可根據(jù)覆蓋材料的折射率調(diào)節(jié)的表面波，其具有匯聚，發(fā)散，和無色散三種波前的傳播形式。研究了其表面波的偏振態(tài)，根據(jù)其橢圓偏振特性研究了其自旋軌道耦合現(xiàn)象。這部分的工作有望利用于集成光通信期間與傳感等應(yīng)用。
　　第二、設(shè)計(jì)完成雙各向異性型超材料，發(fā)現(xiàn)了其具有