可见光波段电磁波在金属/空气界面传输规律实验研究

摘要

早在17世纪Snell和Descartes发现光线穿越由不同介质构成的界面时会发生折射的现象,被称为Snell折射定律,成为奠定现代光学原理的重要基石之一。这一定律被广泛应用于透明物质,但应用在金属吸收介质(即光线通过吸收介质/介质边界)时的情况,至今仍是一个未被很好解决的难题。即使对于最简单的情况,假设由金属和大气构成的界面,电磁波穿越金属/空气边界时发生的折射可由Snell公式表达:n1sinα=～n2sin～β,式中空气的折射率n1=1,α是空气一侧的入射角,～n2是金属的复折射率,因此,折射角～β也将是复角。但实际上,复数角～β只是一个数学上的概念,缺少与其对应的物理意义,光线在物质中的传播路径必须为实数。
　　 国际上较早对这个问题的讨论是在Kudykina的文献中[l],对于垂直入射吸收介质的光电磁波的s分量进行了讨论,得出该情况下Snell定律是和在普通介质中形式一样。另一种讨论[2]是通过对一般的Snell公式(n1sinα=～n2sin～β)进行数学变换进行的,即～n→n(1+ik),在此基础上,给出了实数β角和n2的推导表达式。但这些结果并没有在实验上给予充分验证和给出更完整的理论解释[3]。
　　 至今,对于这个问题的解释仍然没有定论,而与之相关的很多方面(如负折射[4-7]、人工材料(LHM)[8-10]、光子晶体[11-13]、金属环谐振器(SRR)、表面等离子体[14-15]等)都成为近年来最热门的话题,频频出现在Nature,Science,Physical Review Letter等一流杂志上,世界范围内的研究小组通过各种不同的实验和理论模拟,都在探索与本领域相关的问题,人们也正越来越接近这个历史性谜题的答案。
　　 本工作对电磁波在金属中传播的复折射率这一问题进行了初步研究,特别地对于可见光波段电磁波,通过测量它在通过金属/空气边界的实际折射角β和相应的等效折射率n2值,对其折射率性质进行了研究。
　　 本工作采用了光程放大原理对极微小的物理量——折射角进行了测量,设计了光线从楔形金属样品底边垂直入射的光路结构,分析了光线在通过金属吸收介质/空气边界上的折射规律。在研究中,首先采用单一波长激光光源观察了光在金/空气界面的折射现象,通过实验装置和测量方法的改进,使得实验数据测量的稳定性有了很大的提高。接着又系统地选用了三种有代表性的不同波长的光源,制备了一系列样品,对光在金/空气和银/空气界面的折射角进行了细致的实验测量和完整地数据分析,获得了有规律性的结果。最后,还结合Drude模型对光学常数的色散特性进行了初步模拟计算,为深入研究打下了良好基础。
　　 本研究工作涉及到对经典物理光学中最基本定律的认识和理解,无论是在理论还是应用上都有着很多现实意义,能促使人们更好的认识基于Snell定律的电磁波在物质中的传播规律。本论文获得的结果及其后续工作将会促使人们对于自然界中的这些有趣的现象和问题进行更深入的研究和理解。