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磁控旋光/金属光栅的光学单透性及曲面金属超透镜的性质

王铭扬  
【摘要】:本文主要研究单向透射和超透镜两个方面的问题。 单向透射指某个装置对于相反两个方向入射光的透射率不一样。本文提出了一种可控的光学单向透射结构,此结构由一个金属亚波长光栅上覆一层磁致旋光介质所构成,即磁控旋光/金属光栅结构。先根据磁致旋光介质的旋光理论导出了旋光率与介电常数张量之间的关系,再结合实验结果获得了CeF3的介电常数张量。在此基础上利用时域有限差分(FDTD)的方法模拟了此结构的单透性。模拟结果表明,在室温下,通过磁场的控制,单透指数在0至85%之间变化,最大的磁场仅需1.1特斯拉。所以其工作环境相对于目前其它的单透装置是非常宽松的。我们同时对这种特殊的传输现象给出了合理的理论解释。 超透镜指电单负(磁单负也可以)材料构成的薄膜,本文的创新之处在于研究弯曲薄膜超透镜。当物处于薄膜的凹面一侧时,成像会被放大,所以是放大超透镜;反之为缩小超透镜。我们基于零折射理论,利用解析推导的方法,推导出缩小与放大超透镜的理论计算公式,并对曲面金属超透镜的成像性质进行了研究。在光刻装置中,利用缩小超透镜能够获得刻槽深度够深且宽度够细的清晰图像,当其半径接近于缝宽时,其高宽比最高可达到平板超透镜的90倍左右;利用放大超透镜可以使刻槽变宽,更利于观测,缩小其半径最多可使半高宽放大1.5倍以上。以上结果可对单层曲面超透镜的实验和实际制作提供理论参考,同时也为研究弯曲薄膜周期堆垛打下了理论基础。 除此之外,还根据电与磁的对称性,类比于表面等离子体(SPPs)的性质,本文还顺便研究了磁性材料与介质界面的表面电磁波特征。我们称这种表面电磁波为磁表面等离子体(MSPP)。推导了磁表面等离子体的波矢,消逝距离和局限深度,并分析了MSPP的四个特征长度。


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