光學(xué)效應(yīng)與介質(zhì)微結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性.pdf

1、近來(lái)，多鐵材料由于其重要的理論價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景而備受關(guān)注。多鐵材料指鐵磁性、鐵電性或鐵彈性同時(shí)共存的材料，是同時(shí)具有時(shí)間反演和空間反轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性破缺的材料，因此具有一些特異的光學(xué)性質(zhì)。例如，可以產(chǎn)生與光的極化態(tài)無(wú)關(guān)的光學(xué)效應(yīng)：取向雙折射或二向色性，或具有非互易的傳播特性，即所謂光磁電效應(yīng)。對(duì)于一般的材料，從外界同時(shí)施加相互垂直的電場(chǎng)（E）和磁場(chǎng)（B），也可以導(dǎo)致時(shí)空對(duì)稱(chēng)性同時(shí)破缺的環(huán)境。因此，相互垂直的電場(chǎng)和磁場(chǎng)（E×B）與光的波矢方向

2、平行和反平行時(shí)的折射率或吸收系數(shù)將有差別。對(duì)于多鐵材料，由于本身具有內(nèi)稟的對(duì)稱(chēng)破缺特性，從而無(wú)須施加外界電場(chǎng)或磁場(chǎng)即可實(shí)現(xiàn)光的非互易的取向雙折射。對(duì)這種與光極化狀態(tài)無(wú)關(guān)的光學(xué)效應(yīng)的研究，不僅在理論上具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值，應(yīng)用上也有著廣闊的前景，已成為凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)界的前沿和熱點(diǎn)課題。 本文重點(diǎn)研究了與介質(zhì)對(duì)稱(chēng)性相關(guān)的磁光效應(yīng)以及與極化無(wú)關(guān)的非互易光磁電效應(yīng)。主要集中在： 1．可控的磁光克爾效應(yīng) 我們針對(duì)實(shí)現(xiàn)磁

3、光效應(yīng)可調(diào)這一目標(biāo)，利用液晶的物理性質(zhì)會(huì)隨外電場(chǎng)、磁場(chǎng)或溫度而發(fā)生非常顯著變化的特點(diǎn)，首次將液晶材料引入磁光子晶體中，應(yīng)用快速Berreman矩陣方法計(jì)算了系統(tǒng)的磁光克爾效應(yīng)。這是一種新的調(diào)節(jié)磁光效應(yīng)的方案。液晶作為各向異性材料，處理其光學(xué)行為是比較復(fù)雜的，需要計(jì)算液晶指向矢的空間分布情況，有很大的計(jì)算量。為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，我們?cè)诘诙碌谝徊糠质紫纫曇壕榻聘飨蛲圆牧?，利用其非常光折射率隨著外電壓改變而變化的特性進(jìn)行計(jì)算。為了獲得更精確

4、的結(jié)果，我們進(jìn)一步在連續(xù)彈性體理論的基礎(chǔ)之上，根據(jù)自由能極小的原理，采用牛頓法計(jì)算了液晶指向矢在不同位置時(shí)的分布情況，并進(jìn)而相對(duì)準(zhǔn)確地提供了磁光克爾效應(yīng)的值。我們的工作不僅對(duì)磁光子晶體的磁光效應(yīng)的可控性做出了新的理論預(yù)測(cè)，更為進(jìn)一步開(kāi)展有關(guān)的實(shí)驗(yàn)工作提供了良好的基礎(chǔ)。此外，在第二章第二部分我們應(yīng)用磁性材料的特性隨著外磁場(chǎng)以及溫度變化的特點(diǎn)，提出實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)控制磁納米線復(fù)合物負(fù)折射率的方案。 2．運(yùn)動(dòng)介質(zhì)的光磁電效應(yīng) 實(shí)現(xiàn)和增

5、大光磁電效應(yīng)是一個(gè)重要的研究課題。我們提出一個(gè)各向同性運(yùn)動(dòng)介質(zhì)實(shí)現(xiàn)光磁電效應(yīng)的新方案。運(yùn)動(dòng)介質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系與反鐵磁材料的本構(gòu)關(guān)系具有很大的相似之處，而反鐵磁Cr2O3的旋磁雙折射計(jì)算過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，它將磁感應(yīng)強(qiáng)度折算到電極化矢量中，給出了反鐵磁材料有效的電極化矢量進(jìn)行計(jì)算。我們發(fā)展了一種將電磁波方程和本構(gòu)方程直接耦合的方法來(lái)計(jì)算磁電介質(zhì)的光學(xué)效應(yīng)，這樣的算法簡(jiǎn)單而直接，適用性強(qiáng)。我們的計(jì)算結(jié)果表明：介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的各向異性將直接導(dǎo)致兩個(gè)相

6、反方向的波矢量大小的差異，而這正是光磁電效應(yīng)的實(shí)質(zhì)。這是由于物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)帶來(lái)各向異性的電磁環(huán)境，從而電位移矢量和磁感應(yīng)強(qiáng)度之間出現(xiàn)交叉耦合項(xiàng)，我們可以稱(chēng)之為“贗磁電耦合”項(xiàng)，正是它的存在直接導(dǎo)致了運(yùn)動(dòng)介質(zhì)的光磁電效應(yīng)。用介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)光磁電效應(yīng)的方案，創(chuàng)新性在于它與介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度和內(nèi)稟折射率直接關(guān)聯(lián)，可通過(guò)它們來(lái)調(diào)節(jié)光磁電效應(yīng)的強(qiáng)弱，而且它擴(kuò)大了選用材料的范圍。我們的工作也提供了增強(qiáng)光磁電效應(yīng)的可能性。 3．磁光子晶體極化無(wú)關(guān)取

7、向各向異性光效應(yīng) 對(duì)于周期單元由磁性材料和兩個(gè)各向異性的介電材料組成的磁光子晶體，它包含了時(shí)間和空間對(duì)稱(chēng)性的破缺。由于光磁電效應(yīng)極化無(wú)關(guān)的特性，我們將必須討論非極化的電磁波與物質(zhì)之間的相互作用，這就要求我們運(yùn)用與以往討論極化相關(guān)光學(xué)效應(yīng)不同的理論處理方法。一般來(lái)講，若需要討論自然光和物質(zhì)之間的相互作用，我們必須把瓊斯（Jones）矩陣轉(zhuǎn)化為穆勒（Muller）矩陣。穆勒矩陣多見(jiàn)于處理天體以及混沌問(wèn)題，我們首次采用這樣的矩陣計(jì)算了