近零折射率材料的古斯汉欣位移的特性研究

古斯汉欣位移是一种特殊的光学现象,由于纳米光学的不断普及,古斯汉欣位移成为了一个极其有价值的研究.本文采用以硅为介质柱周期排列的正方形的光子晶体,采用时域有限差分方法,研究了波长以及温度对于近零折射率材料中的古斯汉欣位移的影响.研究表明,波长对于古斯汉欣位移的影响非常大,而温度对于古斯汉欣位移的影响比较小.

古斯汉欣位移研究进展

本文通过K.Artmann的稳定位相理论对古斯汉欣(Goos-H?nchen,GH)位移进行了定性解释和定量分析;总结了国内外相关研究工作,介绍了GH位移在金属界面、介质光栅结构、多层金属包络结构、光子晶体材料、手性材料等界面理论研究和实验测量结果;综述了GH位移在不同波段特别是太赫兹波段的研究成果;GH位移的测量方法有直接测量和干涉测量2种,本文对此做了总结和解释;最后,以温度传感和浓度传感方面的研究结果为例介绍了GH位移的应用。

不同材料逆古斯汉欣位移机理的对比研究

通过计算分界面附近的能流矢量曲线,对贵金属、超材料和负折射光子晶体表面的逆古斯汉欣位移的物理机制进行了研究.结果表明,虽然一定频率的入射光波在这3类材料表面反射时都能产生逆古斯汉欣位移,但逆古斯汉欣位移发生的物理机制完全不同.金属表面产生的逆古斯汉欣位移是因为TM偏振入射光诱导金属表面自由电子振荡,从而激发表面等离子体波;超材料表面产生的逆古斯汉欣位移是因为反射光束相对入射光束发生了相位突变;负折射光子晶体表面产生的逆古斯汉欣位移是光子晶体的等效负折射效应和周期性表面的综合作用,即全反射时激发了后向表面波.

基于硅透镜与光子晶体的逆古斯汉欣位移监测系统及其温度特性研究

基于硅介质柱型光子晶体,采用时域有限差分方法(FDTD),探究高斯光束在光子晶体界面的逆古斯汉欣(GH)位移。通过在光子晶体下表面添加硅透镜,研究高斯光束的入射角度、硅透镜的曲率半径以及温度对光子晶体逆GH位移的影响。研究结果表明,发生最大逆GH位移的角度大于几何理想全反射角。添加焦点位于光子晶体表面中心的硅透镜可以使逆GH位移显著增强,且当硅透镜的曲率半径为170时,逆GH位移增大为不加透镜时的1.7倍。研究不同入射角度下温度对光子晶体的逆GH位移的影响发现,当高斯光束的入射角为26º时,逆GH位移随着温度的变化最大且线性度较好,便于温度监测。

线偏振光在手征负折射介质中的古斯汉欣位移特性研究

从理论上分析了手征负折射介质中的横向位移特性,给出了线极化波入射条件下发生全反射时的横向位移随入射角的关系曲线。当入射角处于两个本征波的临界角之间时,TE和TM分量对应的横向位移方向相反。而当入射角大于全内反射角时,两个分量都将朝着正方向发生横向位移。通过比较发现手征负折射介质中的古斯汉欣位移特性与常规介质和一般手征介质也有着很大的不同之处。

基于奇异光学束缚态的古斯-汉欣位移增大

作为一类具有代表性的光学共振模式,光学束缚态已被用于大幅增大古斯-汉欣位移。然而,在大多数的研究工作中,人们利用的是透射型的束缚态来增大古斯-汉欣位移。因此,古斯-汉欣位移的峰值位于透射谱的极大值(即反射谱的极小值)处,对应的反射率很低,这不利于实验测量与实际应用。本综述阐述了本课题组在近年来利用两种奇异的光学束缚态增大古斯-汉欣位移的研究情况。第一种光学束缚态为四部分光栅-波导复合结构中的连续谱准束缚态。古斯-汉欣位移的峰值位于反射谱的极大值处,反射率高达100%。第二种束缚态为光子晶体异质结中的界面态。界面态的反射率可由光子晶体的虚相位的失配程度进行灵活调节。古斯-汉欣位移的峰值虽位于反射谱的极小值处,但反射率仍可达到97.6%。这两种奇异的光学束缚态在大幅增大古斯-汉欣位移的同时,保持了较高的反射率,这克服了传统增大古斯-汉欣位移的方法的低反射缺点。由于这两种奇异的光学束缚态具有较高的反射率,古斯-汉欣位移将更容易在实验上被测量到,因此后续有望将其应用在各类高性能传感器、光开关、光存储器件、波分(解)复用器件和偏振分光器件的设计中。

布洛赫表面波传感特性研究

布洛赫表面波传感检测技术具有快速实时、免标记的特点。现有的传感检测方法灵敏度较低,极大限制了其在传感检测领域的应用。为了有效提升布洛赫表面波传感检测灵敏度,基于激发布洛赫表面波的耦合共振效应,研究了一维光子晶体带隙表面波传感芯片设计方法。通过对布洛赫表面波激发时反射光束特性进行分析计算,对其在生化传感检测领域的应用展开探索,实现了高灵敏度的传感检测。利用布洛赫表面波激发时显著增强的古斯汉欣位移效应,实现了基于古斯汉欣位移的高灵敏度传感检测。研究成果旨在为设计及实现高性能新型集成光学器件提供理论和技术基础。

法诺共振导致的纳米颗粒古斯-汉欣位移反转

古斯汉欣位移是二维或更高维体系中反射光中心产生的侧向位移。通过Mie理论,利用纳米金属球颗粒Drude模型,研究了线偏振光入射条件下纳米球颗粒远场侧向位移的变化规律。通过推导古斯汉欣位移的解析表达式,并借助简化模型,揭示了古斯汉欣位移方向反转的内在机制。研究发现古斯汉欣位移在法诺共振附近出现区别于其他波段的增强峰模式,此时电偶极子和电四极子发生耦合。该研究为基于古斯汉欣位移原理开发超灵敏探测器提供了参考。