平面手性微结构的光学性质

摘要

最近实验发现，与传统的三维手性体类似，平面手性(Planar chiral)体也具有偏振特性，如旋光、光强的偏振调制。平面手性材料是二维有序排列的微小结构阵，它可以通过常规的平板印刷术或电子束刻蚀方式在金属或电介质薄膜上获得。平面手性概念将会在一些偏振器件上有重要应用，如制备新型偏振转换器、起偏器、传感器等，也有望应用于超薄双各向异性材料的设计上。本论文用经典模型—耦合回旋振子模型，研究了由万字型(gammadion)构成的平面手性体阵列的光学性质。建立一套Lorentz型的耦合方程来描述振子的运动，它被抽象成沿平滑弯曲轨道运动的四个偶极子，并且其电中心被固定到万字中心。用数值方法模拟外光场的特征(如频率、偏振态、照射方位)和手性体结构参量(如万字个数、万字的尺寸)对手性阵列远场辐射的影响，进而从微观上揭示该阵列变换偏振、调制光强的物理实质。通过比较左、右旋万字样品后发现，右旋样品中负衍射级对应左旋样品中的正衍射级，反之亦然。本论文利用有限元方法对平面手性结构进行电磁场仿真，以弥补研究过程中因实验条件缺乏造成的不足。首先得到万字型远场图并比较经典模型模拟的结果。然后对电场作用下结构表面的场和电流图案进行模拟。最后把万字型、正十字型微结构的运场辐射图进行比较。这些都从另一个角度证明了我们经典模型的合理性和正确性。本论文建立一套缔联微观平面手性结构和相应宏观效应的理论体系，证实该手性结构的旋光性主要起因于样品自身结构的回旋效果而不是手性体的粗细、背景材料的物理参数。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 手性、手性体、结构手性、手性材料

1.2 结构手性的研究历史和意义

1.2.1 立体手性微结构

1.2.2 平面手性微结构

1.3 研究内容

第2章 平面结构手性的经典模型描述

2.1 引言

2.2 耦合旋转模型

2.2.1 模型描述

2.2.2 Lorentz 型耦合方程

2.2.3 光场响应

2.2.4 偏振描述

2.3 数值模拟

2.3.1 辐射极坐标分布

2.3.2 手性体参量的影响

2.3.3 入射场偏振参量的影响

2.4 本章小结

第3章 有限元分析平面手性微结构

3.1 有限元电磁仿真软件简介

3.2 手性结构的建模与分析过程

3.3 结果分析和比较

3.3.1 理论模型与仿真结果的比较

3.3.2 样品的表面场图

3.3.3 样品表面电流

3.3.4 远场分布的极坐标图

3.4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢