负Goos-Hnchen位移的理论与实验研究

1947年Goos和Hnchen发现,当电磁波束在玻璃/空气界面全反射时,在返回玻璃内部时有一项发生在入射面内的纵向位移;我们称之为正位移。实际上,稳态相位法的计算表明,位移可以为正、为零,甚至为负。由于界面上的表面波可以是前向型的和后向型的,携带的功率向着不同方向;故当激发起后向型表面波时就可获得入射波束的负位移。在多层结构中,当入射波束波矢的切向分量与表面波传播常数一致时,会发生类谐振现象并导致位移增大。在一般情况下,当光束入射到金属表面,TM极化时GHS为负,并且绝对值比TE极化时大得多。但我们在微波的实验研究表明,在使用金属时可以在TE极化时发生负位移。实验时在全反射界面处为纳米级金属膜,是厚度30nm和60nm的铝膜,它蒸镀在厚18μm聚乙烯膜上。实验还发现,当改变入射角θ1并使之达到约qθ1c(θ1c为全反射临界角,q1)出现类谐振现象,GHS的绝对值可达(5~7)cm。目前尚缺少对这些结果的理论解释。     

消失态与Goos-H(a)inchen位移研究

假定媒质1中有一个光束以入射角0.向两媒质组成的界面入射,而界面两侧的媒质折射率为,n1、n2(n1>n2),入射角大于临界角即θ1>θ2 ;那么几何光学预期将发生全反射.但在实际上,光束进入了媒质2并在与界面平行方向前行一段距离,然后才返回媒质1.反射光束的令人惊奇的平移于1947年由Coos和H(a)nchen测出.在媒质2中,波由两个渡数所描述--与界面平行方向k11=kon1sinθ1,与界面垂直方向的虚波数k⊥=jko√n21sin2θ1-n22;而在垂直方向波呈指数式下降,即消失态.本文对消失态与GH位移作原理性研究,特别关注双界面问题.正如人们后来所知,部分反射时在入射波束与反射波束之间也有位移.然而,关于GH位移的精确理论至今尚不存在,实验研究变得重要了.例如,关于GHS谐振.关于反向GH位移,关于负群延时等等,均有待作进一步研究.     

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.     

光在不同界面反射时的Goos-Hnchen位移

分别计算了光由正折射率材料入射到负折射率材料,由负折射率材料入射到正折射率材料,由一种负折射率材料入射到另一种负折射率材料时,反射光束所产生的Goos-Hnchen位移.材料的吸收作用以及TE和TM极化对Goos-Hnchen位移的影响被分析.     

光在不同界面反射时的Goos—Hanchen位移

分别计算了光由正折射率材料入射到负折射率材料,由负折射率材料入射到正折射率材料,由一种负折射率材料入射到另一种负折射率材料时,反射光束所产生的Goos-H(a)nchen位移. 材料的吸收作用以及TE和TM极化对Goos-H(a)nchen位移的影响被分析.     

在负折射率材料中的Goos-hnchen位移

左手介质具有不同的电磁特性,光入射到RHM-LHM界面上发生全反射时,将会发生一些违反“常规”的现象.本文计算了Goos-hnchen位移,并证明了在RHM-LHM界面,Goos-hnchen移位总是负的,与能流的方向一致.     

在负折射率材料中的Goos-h(a)nchen位移

左手介质具有不同的电磁特性,光入射到RHM-LHM界面上发生全反射时,将会发生一些违反"常规"的现象.本文计算了Goos-h(a)nchen位移,并证明了在RHM-LHM界面,Goos-h(a)nchen移位总是负的,与能流的方向一致.     

左-右手系材料界面上的表面波

利用严格的电磁理论证明2种偏振入射都能在各向同性的负折射材料与正折射材料界面上激发表面波,并推导出了相应表面波的传播波矢和激发条件.针对电磁波在非线性左手系材料中的传播性质,研究左、右手系材料界面上非线性TE表面波的传播行为,分析表明:2种界面上的非线性TE表面波均存在频率通带和禁带.     

椭圆极化电磁波在界面的极化分析

运用波的极化概念,将入射的椭圆极化电磁波分解为互相正交的2个直线极化波,利用边界条件的匹配分别讨论它们与界面的作用结果,再进行合成;并就椭圆极化电磁波在界面垂直入射,以布儒斯特角入射及在界面发生全反射时的极化规律进行了分析.     

非常偏振光在两单轴晶体界面间的隐失波

通过求解透射波函数和由菲涅尔公式求解反射相位差并对其求导的方法,研究了非常偏振光在两单轴晶体(晶体光轴在入射面内)分界面处发生全反射时的隐失波,分析了全反射条件和反射光与入射光的相位差,给出了非常偏振光在两单轴晶体分界面处隐失波穿透深度和Goos-Hnchen位移的一般表达式.     

负波速研究进展

近年来有众多实验证明了超过真空中光速的可能性,并从理论上和实验上对群速超光速和负群速作了研究。本文着重论述负波速的光传播,例如光脉冲通过被测物(如原子气室或光纤)时其峰值在进入它之前就在它的输出端出现了,从而呈现出负渡越时间和负群速(NGV)。可以证明当Goos-Hnchen位移GHS为负,即D<0,而|D|>dΦ/dkz,则可获得负渡越时间(τ<0)。……文中论述的NGV传播是依靠反常色散媒质或消失波而实现的。在电磁理论中相速、群速可定义为矢量或标量。如在标量表达时出现负号,例如νg=-c/ng,不能认为负号只表示向反方向传播。必须指出在Sommerfeld-Brillouin波速理论中负群速是超光速的一种形态。本文提出了开展"三负研究"的思想,所谓"三负"是指负折射、负波速和负GH位移。如果我们透过现象看本质,这三方面的内在联系是非常重要的。最后,本文深入讨论了量子波动的内容和意义。     

有限微波波束在对称双三棱镜结构中的Goos-Hnchen与Imbert-Fedorov位移研究

通过实验测量确立了对称双三棱镜结构内受阻全反射的能流模型,并且发现增大或减小两块棱镜的间距d,棱镜空气分界面上反射波束发生的Goos-Hnchen(GH)位移和Imbert-Fedorov(IF)位移也随之增大或减小。为了理论定量研究GH位移和IF位移,从经典电磁理论出发分析了有限Gauss平面波束通过对称双三棱镜后各分界面反射和透射场分布,从而基于能流模型计算出消失态Poynting矢量流中与位移有关的那部分能流。然后借助Renard能流法推出了新的GH位移和IF位移表达式。最后通过数值仿真得出位移随空气隙间距d的变化曲线,并将其与实验结论对比,结果表明所得的理论估算式是有效的。     

各向异性异质材料中的Goos-Hnchen位移研究

对单轴各向异性材料中的负折射进行了讨论,并对具有负折射率的准左手介质(NI-QLHM)表面的古斯-汉森位移进行了详细的理论研究,给出了横电(TE)波和横磁(TM)波入射时的古斯-汉森位移d和穿透深度dz的表达式.对TE入射波的情况进行了数值模拟,结果显示,在μz0的情况下,频率ω分布在4~6GHz之间时,各向异性材料为NI-QLHM.而磁导率分量|μz|越小,在NI-QLHM频率区域越容易实现全反射;随着频率的增加,临界角减小,从而发生全反射的入射角的范围增加,同时也将导致准左手化材料的有效折射率减小.结果还显示,对于同一个入射角,随着频率ω的增加,古斯-汉森位移减小,即随着折射率n的减小,古斯-汉森位移减小.而穿透深度dz与古斯-汉森位移d相对应,穿透深度越大,古斯-汉森位移也越大.     

近零介电常数区超导界面的古斯-汉欣位移

对相同的结构,构造材料的光学特性不同,古斯-汉欣(Goos-H?nchen,GH)位移也会不同。在近零介电常数区,对介质-超导界面上反射光的GH位移进行了理论研究。结果表明,GH位移与超导材料介电常数为零时的波长(定义为阈值波长)相关。当入射光波长小于阈值波长时,不同偏振态的入射光的GH位移随入射角和介质折射率的变化规律基本相同。当入射光波长大于阈值波长,对s波,GH位移为正值,而对p波,GH位移为负值。当以阈值波长入射,除了在以接近0°的小角度入射时,GH位移基本保持为某一常数,不随入射角的改变而变化。零折射率材料在光子学领域具有广泛的应用,计算结果为基于超导材料的新型光子学器件研究开发提供了参考。     

电磁波在双轴左手介质中的异常反射和折射

讨论了电磁波在双轴左手介质中的传播和电磁波在普通介质与双轴左手介质界面上的反射和折射.当ε220,μ110,μ330(μ220,ε110,ε330)时,电极化波(磁极化波)在双轴左手介质中不能传播,而在其它情况,电磁波的入射角只有在满足一定条件时才能传播.当电磁波从普通介质入射到双轴左手介质的分界面上时,满足ω2ε22μ33k2sin2θ(ω2ε33μ22k2sin2θ)时,电极化波(磁极化波)将发生折射,论文还讨论了在两界面上电磁波发生全反射的条件,这些结果与普通介质与各向同性左手介质界面上的反射不同.     

均匀平面电磁波在良导体分界面的斜入射研究

基于均匀平面电磁波以任意角度入射到理想介质时的反射系数、透射系数,导出了分界面为介质与良导体时,反射波场强、透射波场强及反射系数、透射系数和相位移的表达式,讨论了在特殊入射角时反射系数、透射系数和相位移的特点,分析了以任意入射角入射到良导体分界面上时反射系数和相位移的变化规律.     

浸没环境对自负折射率薄膜表面反射光的Goos-H(a)nchen位移的影响

计算了光从真空-负折射率薄膜-真空,真空-负折射率薄膜-金属, 正折射率介质-负折射率薄膜-真空以及真空-负折射率薄膜-正折射率介质四种复合结构中的负折射率薄膜表面反射的等效反射系数和GH位移.着重比较分析了在正折射率介质-负折射率薄膜-真空,真空-负折射率薄膜-正折射率介质两种结构中正折射率材料的吸收效应对不同入射极化波的GH位移的影响.     

消逝波和棱镜薄膜耦合器

文章讨论了平面波从光密介质向光疏介质传播时,当入射角θ_i>θ_c(临界角)时,出现全反射现象,推导了场的表达式,从而证明消逝场的存在。通过波分析,即在均匀介质中,任一波可表达成Aexp[-i(K·γ)]的平面波的线性叠加。由此得到的全反射场的表达式和从几何光学原理得到的场相比较,可以证明当光束受到全反射后,光束位置发生一个位移,这就是古斯——汉欣位移。在平板波导中,考虑了古斯——汉欣位移和相应时间的延滞,波分析和几何光学分析得到相同的本征模分析。棱镜薄膜耦合器是利用上述原理把激光束能量耦合到波导中,并讨论了棱镜薄膜耦合器的同步条件和耦合效率,讨论了我们研制此种耦合器的实验结果。     

左手介质中表面波特性

针对电磁波在左手介质中的传播性质,研究了表面波产生的条件,得出了TE、TM偏振表面波波矢方程。利用麦克斯韦方程得出了表面波的色散特性、能流特性。分析表明非互补介质界面不能同时传播TE表面波和TM表面波。在界面两边介质里的能流方向相反。     

基于迂回相位和几何相位复合的散射调控超表面

提出了一种基于迂回相位和几何相位复合的电磁散射调控超表面设计方法,以实现不同入射角下对电磁波的独立调控。作为设计实例,采用能够实现宽带极化转换的开口谐振环(SRR)作为超表面结构单元,通过移动和旋转SRR同时引入迂回相位和几何相位,构成超表面反射相位设计方案。当电磁波垂直入射到超表面时,几何相位设计使得散射波分裂为两束,实现了分束功能;斜入射时,大部分散射波被引导至-1阶衍射通道,通过迂回相位设计实现了波束偏折功能。仿真和测试结果均验证了其良好的散射波束调控性能。基于几何相位和迂回相位的散射调控超表面设计方法丰富了超表面操纵电磁波的自由度,并可进一步与传输相位、共振相位等复合推广到全空间散射波束调控超表面设计。