含金属及Kerr材料的层结构中反射光束的Goos-Hanchen位移特性

摘要

有限光束从光密介质传播到光疏介质，当入射角大于临界角时，实际的反射光束会在入射面内相对于几何反射光束产生一段侧向位移，该位移通常被称作Goos-Hanchen(GH)位移。对GH位移现象物理机制的研究和应用方面的探索一直是科研工作者关注的课题。随着对GH位移的研究由单界面拓展到多层结构中，研究发现透射位移和反射位移的量级在共振点附近会发生共振增强，且GH位移的大小、正负(方向)与光束的属性、入射角以及层结构的物理参数密切相关。当层结构中包含有金属或非线性材料时，反射光束的GH位移又会呈现出一些新颖的特征，本论文对这些新颖特征作了初步的探讨，主要创新点包括以下两个方面： 1、在Otto结构(棱镜-空气-金属)中，当层结构的物理参数满足一定条件时，TM偏振态的光束入射到该结构中存在着两个反射率为零的点。其中一个入射角θ1在金属-空气界面的表面等离子体共振(surface plasmon resonance，SPR)角θSPR附近，相应的空气间隙层(gap)的厚度d1较大；另一个入射角θ2是在掠入射情形下且对应的gap层的厚度d2较小。本文对掠入射情形下反射光束的GH位移的特性进行了详细的探讨。与表面等离子体共振角处不同的是，当gap层的厚度d大于临界厚度d2时反射光束的GH位移为正，若d小于d2则GH位移为负。利用极点-零点描述，在复波矢平面内求解反射系数函数的极点和零点，计算表明在此情形下极点不存在而零点跨过实轴；再借助稳态相位法，发现反射光束GH位移的正负和大小仅与反射系数函数的零点密切相关。 2、对含Kerr非线性材料的Kretschmann-Raether(KR)结构(棱镜-金属-Kerr材料)中反射光束GH位移的特性进行了研究。理论计算表明，当TM偏振态的光束入射到该结构中，反射光束的GH位移与入射光束的强度之间存在着磁滞现象，而且双稳态形式的GH位移的阈值受光束的入射角、金属薄膜厚度以及非线性材料的光学Kerr常数的影响。进一步的分析表明，仅当入射角限定在等离子体共振角附近且金属薄膜厚度也要满足一定的要求时才可能获得双稳态形式的GH位移。与一般的KR结构(棱镜-金属-空气)相同的是，这里金属薄膜也存在着一个临界厚度，当金属薄膜厚度低于该临界厚度时，双稳态形式的GH位移的为正；当薄金属膜厚度大于该临界厚度时，双稳态形式的GH位移的峰值为负。此外，计算表明双稳态形式的GH位移峰值的大小强烈地依赖于金属薄膜的厚度；在Kerr非线性材料一定时，双稳态形式的GH位移的高阈值对入射角和金属薄膜厚度的变化要比低阈值敏感得多。合理的设置这些参数将易于获得双稳态形式的GH位移。这项工作可能对光学开关、光学传感器或其它光学器件的设计与开发有指导作用。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1 引言

1.2 GH位移的理论计算

1.2.1 稳态相位法

1.2.2 能流法

1.3 GH位移的实验观测及其应用

1.4 本论文的主要内容与结构安排

第二章含金属材料的层结构中的GH位移

2.1 引言

2.1.1 存在表面等离子体波激发的情形

2.1.2 反射率R=0时的临界情形

2.2 Otto结构中反射光束的GH位移

2.2.1 等离子体共振角附近的情形

2.2.2 掠入射情形

2.3 小结

第三章Kerr非线性材料对反射光束GH位移的调制

3.1 引言

3.2 含Kerr材料的Kretsehmann-Raether结构中的GH位移

3.2.1 光学双稳态与表面等离子体共振

3.2.2 双稳态形式的GH位移

3.3 小结

第四章结论与展望

参考文献

作者在攻读硕士学位期间发表和待发表的论文

作者在攻读硕士学位期间所参与的项目

致谢