基于量子干涉效应的低吸收负折射率介质及相关研究

【摘要】：负折射率材料,作为一种新型的人工电磁功能材料成为全新的研究领域,因其独特的电磁和光学特性而具有巨大的应用潜力,引起了学术和工程领域的广泛关注。当前对负折射率材料的研究也面临着巨大的挑战,这些挑战不仅仅来自于实验,而且还来自于理论和应用方面。如2000年Pendry提出的“完美透镜”的概念就是一个挑战,根据Pendry提出的概念,利用介电常数和磁导率同时为负的双负左手负折射率材料制成的透镜,使倏失波参与成像而突破了瑞利衍射极限,能从根本上突破传统的光学分辨率衍射极限。从理论上讲,因我们寄希望于非常高的成像分辨率,Pendry提出的“完美透镜”理论无疑给研究者带来了新的希望和突破口,给近场光学带来革命性的影响。然而,Pendry提出的“完美透镜”理论是有瑕疵的,因为他提出的“完美透镜”没有考虑材料本身的吸收问题,而实际材料必然存在吸收,且理论分析表明“完美透镜”的分辨率本领对材料的吸收参数是非常敏感的。 据此背景,本文紧紧围绕如何实现光学波段的负折射率介质以及实现抑制负折射率介质在实现超分辨率的“完美透镜”过程中存在的吸收问题而展开的。作为全文的理论基础,本文首先介绍了基于量子干涉效应产生电磁感应透明现象三种基本模型、研究方法和现状及其新的进展：介绍了双负折射介质实现”完美透镜”的理论以及对其质疑的分析。研究了外加光场与门电压调控下的双量子点系统中的电磁感应透明等光学效应。在外加光场与门电压的作用下,该量子点系统的电磁感应透明现象和光电流呈现出可调控制的特征。 研究了在几种新的不同构型四能级原子系统中实现无吸收的左手负折射率方案。通过理论推导和数值模拟,对于适当的原子系统在一定的条件下,我们详细分析了外加光场相关参数对介质相对介电常数、相对磁导率、折射率以及吸收系数的影响。我们发现,适当改变参数的数值,可以在一定的光学波段范围内原子系统的介电系数磁导率同时取负值,即左手效应；而且在同频段内探测光场出现电磁感应透明特征,且系统吸收为零。由于电磁感应透明效应抑制了光子吸收而使左手介质成为较理想的无吸收负折射率介质,即原子系统既是EIT介质又是具有左手效应的负折射率介质(NIM),这就获得了吸收系数相对较小的、低损耗的左手材料。 研究了在局域场效应下基于电磁诱导手性实现光学波段内负折射率材料方案。利用原子相干的方法使电磁场的电场部分和磁场部分发生交叉极化而产生两个可调谐的手性参数。在电磁诱导手性的作用下,调控两个手性参数,在不需要相对介电常数和相对磁导率同时为负值的情况下实现了负折射率。