可見電磁波在金屬-空氣界面?zhèn)鬏斕匦詫嶒炑芯?pdf

1、Snell定律揭示了光在穿越由不同介質(zhì)構(gòu)成的界面時的傳播和折射規(guī)律，這是現(xiàn)代物理光學(xué)和幾何光學(xué)的基礎(chǔ)，也是精密光學(xué)系統(tǒng)的特性受到限制的物理原因。改進的途徑是設(shè)法尋找到負折射率材料，與正折射率材料匹配在一起，預(yù)期可形成完美光學(xué)透鏡。這雖然是多年前理論研究的預(yù)言，但在相當(dāng)長時期內(nèi)，在自然界中未發(fā)現(xiàn)違背Snell定律的天然負折射率材料存在。
　　 隨著新材料制備原理和技術(shù)的進步和發(fā)展，國際上首次在微波區(qū)發(fā)現(xiàn)了金屬基人工微結(jié)構(gòu)材料可產(chǎn)生

2、負折射率效應(yīng)，導(dǎo)致了在廣泛領(lǐng)域內(nèi)對于負折射率材料結(jié)構(gòu)和制備的濃厚興趣，并引發(fā)了學(xué)術(shù)界對于光在金屬基結(jié)構(gòu)中傳播特性更深入的理論和實驗研究的興趣和爭議。這觸及到對核心光學(xué)原理的深刻認識和修改，以及所伴隨產(chǎn)生的一系列與傳統(tǒng)光學(xué)原理和規(guī)律尖銳沖突的問題，并延伸研究到很多方面，如負折射、人工材料、光子晶體、表面等離子體等，都成為近年來最熱門的前沿研究課題，大量理論和實驗結(jié)果發(fā)表在Nature，Science和PhysicalReview Lett

3、er等國際核心期刊上，促使世界范圍內(nèi)的研究小組通過各種不同的實驗方法和理論模擬，積極探索這些感興趣的核心問題。
　　 在本論文工作中，圍繞上述核心科學(xué)問題，通過制備一系列入射角精確可控的貴金屬(Au和Ag)基樣品，對于光在最簡單的天然貴金屬界面?zhèn)鞑r發(fā)生由負到正的折射率效應(yīng)進行了定量實驗測量，在Snell定律的框架下，首次獲得了表觀折射率值與入射和折射角的定量關(guān)系，并對其機理進行了深入的討論和分析，以可靠的實驗數(shù)據(jù)，致力于澄清目

4、前發(fā)生在理論和實驗研究領(lǐng)域?qū)@一問題的分歧和爭議，并促進這些新效應(yīng)在新型光電子材料和器件領(lǐng)域獲得應(yīng)用和推廣。
　　 在本論文工作中，首先圍繞以Snell定律為框架的光學(xué)原理進行了歷史的回顧，描述了這一重要定律的發(fā)現(xiàn)過程及其在現(xiàn)代光物理和光工程領(lǐng)域的奠基作用。雖然對于光在金屬界面?zhèn)鬏數(shù)睦碚撗芯糠矫嬉延辛饲捌谘芯亢头e累，但在實驗研究方面仍很困難。因此，在本論文中對測量光在金屬界面的實驗過程和結(jié)果進行了詳細的描述。
　　 在研

5、究中選擇了在可見光區(qū)的折射率值小于1并接近于零的貴金屬Au和Ag以及參考Si等樣品，制備成具有棱鏡形狀的楔型樣品。采用了速率可控的射頻濺射方法，在真空條件下線性和精確控制掩膜板和樣品位移，制備了一系列具有不同楔型角的金屬樣品，并采用橢圓偏振光譜等方法對樣品的光學(xué)常數(shù)等物理量進行了測量。針對金屬樣品的高吸收和淺透入深度的特性，采用了可見光區(qū)三個不同波長(λ=473nm、532nm、632.8nm)的單色激光，以不同的系列入射角入射到金屬/

6、大氣界面。激光束被遠距離投影到屏幕上，克服大氣擾動、環(huán)境振動等對測量的影響和困難，實現(xiàn)了對于發(fā)生在純金屬界面的微小折射偏移量的準確測量。
　　 在論文研究中，圍繞所獲得的在不同波長下光在金屬邊界的折射角發(fā)生從負到正的變化規(guī)律，以詳實的分析和依據(jù)對于有可能導(dǎo)致奇異光折射現(xiàn)象的各種爭議性機理進行了細致探索和討論，包括表面和體等離子共振效應(yīng)、負磁導(dǎo)率效應(yīng)、Goos-Hanchen效應(yīng)、光在金屬基界面的傳播路徑、由折射率色散特性所決定的

7、快慢光子行為等效應(yīng)。通過對貴金屬Au和Ag的光學(xué)常數(shù)的色散特性分析和數(shù)值計算，發(fā)現(xiàn)在可見光的Drude光譜區(qū)，表征光子能量傳播方向的群速度和群折射率的值會隨光子能量的增大而發(fā)生從負到正的改變，這與本論文研究的實驗測量和觀察結(jié)果相符合。
　　 因此，本研究工作中所獲得的結(jié)果將增加人們對經(jīng)典物理光學(xué)中最基本定律的認識和理解，無論是在理論還是應(yīng)用上都有著現(xiàn)實的意義，能促使人們更好地認識基于Snell定律的電磁波在物質(zhì)中的傳播規(guī)律。本論