光在CuZn合金薄膜/空气界面传播特性研究

摘要

金属基薄膜是众多光学器件的重要基础材料，在现代光学仪器和光电子材料中具有举足轻重的作用。本论文对近年来观察到金属基微纳结构的负折射现象及其研究进展进行了系统介绍。为了理解金属在人工复合结构中的作用及负折射现象产生的物理机制，研究光波在天然金属基薄膜界面的折射特性具有着重要意义。
　　基于上述背景，本论文主要围绕着光在金属基薄膜中的传播特性开展了有关不同组份CuZn合金和Zn金属基薄膜界面光波的折射效应的研究工作，主要包含以下内容:
　　一、利用射频磁控溅射法制备了一系列楔角精确可控的楔形合金和金属薄膜样品，在Snell定律的框架下，应用光程放大法对发生在金属/空气界面的折射现象进行了观测，获得了有效折射率、入射角与折射角三者之间的定量关系，并利用椭圆偏振光谱仪测量了金属薄膜样品在1.5-4.5 eV能量区间内的复介电函数谱及复折射率。实验结果表明，Cu0.9Zn0.1、Cu0.7Zn0.3两种组份合金样品在可见波段的Drude区均存在负折射现象;且随着入射光能量的增加，从Drude区到带间跃迁区域，折射角发生由负到正的变化;对于纯金属Zn样品，在可见波段不完全符合Drude电子带内跃迁模型，因此不存在负折射特性。
　　二、根据实验测量结果，对可能导致光在金属薄膜界面产生奇异光折射现象的多种争议性机理进行了讨论与分析，认为金属在可见波段的正、负折射效应与金属带内及带间跃迁区域的不同色散特性及其所引起的群速度和群折射率的变化规律相关，而与等离子共振效应、负磁导率效应等机制无关。
　　本研究工作和结果将有助于人们理解和认识光在金属基微结构中的传播特性和规律，从而为新型光电子材料和器件的研制和应用建立基础。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 光在金属基薄膜中的折射效应

1．3 金属基人工负折射材料概述

1．3．1 负折射材料的研究进展

1．3．2 负折射材料的应用

1．4 论文研究工作的目的和意义

第二章 金属薄膜样品制备及测量系统

2．1 楔形金属薄膜样品的制备系统及生长条件

2．1．1 溅射原理及LAB600SP溅射真空镀膜系统简介

2．1．2 楔形金属薄膜生长平台

2．2 实验测量系统及方法

2．2．1 折射角的光路测量系统

2．2．2 折射角的测量方法

2．2．3 RAP型椭圆偏振光谱仪系统

第三章 光波在CuZn合金薄膜界面传播特性实验研究

3．1 CuZn合金薄膜样品的制备和表征

3．1．1 样品的制备

3．1．2 样品的表面形貌和结构测量

3．2 光在CuZn合金薄膜／空气界面传播特性的实验测量结果及分析

3．2．1 Cu0．9Zn0．1／空气界面的折射特性测量

3．2．2 Cu0．7Zn0．3／空气界面的折射特性测量

3．2．3 Zn／空气界面的折射特性测量

3．3 CuZn合金薄膜(Cu0．9Zn0．1、Cu0．7Zn0．3、Zn)的光学常数测量

3．3．1 Cu0．9Zn0．1的光学常数测量

3．3．2 Cu0．7Zn0．3的光学常数测量

3．3．3 Zn的光学常数测量

第四章 光波在CuZn合金薄膜界面传播特性理论分析

4．1 金属／介质界面光的传输路径

4．2 Drude模型中的等离子共振条件

4．3 负磁导率效应

4．4 受折射率控制的光速可变机理

第五章 论文工作总结与展望

参考文献

攻读学位期间发表论文

致谢

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