古斯—效应的激发结构及光学特性研究

【摘要】： 多层膜微结构可应用于集成光学、电光开关、传感器等,在制造光电检测器件方面有重要应用前景。包含金属、液晶和左手材料膜层的多层膜微结构的光学特性吸引了众多研究者的关注,目前在精密测量、超棱镜和调制器方面都取得了一定的进展。多层膜微结构的古斯-汉欣(GH)效应成为当前传感器和光电检测领域的研究热点。本文主要研究不同多层膜结构对GH位移的增强作用和外加电场对GH位移的调制作用。采用静态相位法研究由不同材料组成的多层膜光学微结构的古斯-汉欣位移特性,利用高斯光束法分析窄光束入射对反射场分布的影响,进一步验证静态相位法计算结果的有效性。 表面等离子共振现象已经被广泛研究,结合晶体的线性电光效应,研究了通过外加电场调节古斯-汉欣位移的可能性。对所研究的结构,分析了表面等离子波的色散关系和传播常数,给出了系统的本征损耗和辐射损耗,发现只有本征损耗大于辐射损耗时, GH位移才能是负的。推导了系统反射光的反射率、相位、GH位移随入射角和外加电压的变化,计算结果表明电压调制和角度调制的结果相同,在试验中电压调制可取代角度调制。 通过对左、右手材料组成的三层膜结构的研究,分析了左、右手材料组成的界面的部分反射和全反射,给出了振幅反射率的统一描述公式,由此计算了三层结构的振幅反射率。在此基础上利用静态相位公式计算了GH位移,发现这种结构GH位移的正负仅取决于前两层介质的手性参数,手性参数相同则GH位移为正,手性相反则GH位移为负。 推导了含弱吸收介质的三层介质结构的反射公式,分析了系统的本征损耗和辐射损耗,给出了泄漏导波共振条件附近的反射率表达式,发现共振时,若本征损耗等于辐射损耗,则系统的反射率为零,说明入射光的能量全部被耦合到弱吸收介质层中。在此基础上,利用静态相位公式给出了共振条件附近的GH位移表达式。进而计算了反射光的反射率、相位、GH位移随入射角度、损耗参数及弱吸收膜层厚度的关系。发现反射率在共振条件形成吸收峰, GH位移可正可负,并可被增强到1500个波长。用高斯光束法计算了束腰宽度有限时反射场分布,在宽光束入射时计算结果与静态相位法的结果相一致,同时也发现共振时反射光场形成双峰分布,因此工作点只能选在共振条件附近。 利用旋转矩阵法,给出了液晶中指向矢与坐标轴有夹角时的介电常数和磁 导率张量。在此基础上确定了横磁波在液晶中的色散关系。并利用Maxwell方程组和边界条件,求出了含液晶多层膜结构的振幅反射率。利用时间平均的坡印亭矢量,给出了在晶体和介质界面发生负折射的条件,与晶体物理学中的分析结果一致。结合静态相位公式,计算了双棱镜包夹液晶层结构的GH位移,发现调节入射角度和调节外加电压都可以实现对GH位移的调制,并且GH位移可正可负。设计了双面金属包覆液晶的结构,利用自由空间耦合技术和双面金属波导,实现了对GH位移的增强。计算了系统反射光的反射率、相位和GH位移随入射角度及外加电压的变化。分析了入射光束腰宽度对GH位移的影响,验证了静态相位法计算结果的有效性。