光束在均勻材料和微結(jié)構(gòu)材料中的傳播、操控及應(yīng)用研究.pdf

1、本論文從理論上對(duì)光束在均勻材料、光波導(dǎo)和Metamaterials(MMs)中的傳播、操控及應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和研究。光束傳播是整個(gè)論文的主線，基于這個(gè)主線，以均勻材料、光波導(dǎo)和MMs這幾種材料為媒介，從光學(xué)微操控、集成光學(xué)器件到超材料近完美吸收器以及局域表面等離子共振生物傳感的應(yīng)用角度展開研究。主要研究?jī)?nèi)容包括：
　　 1．本論文研究了一維艾里光束在均勻介質(zhì)中的傳播情況，并且從理論上模擬了它對(duì)瑞利尺度的電介質(zhì)小球的光學(xué)梯度力

2、和光學(xué)散射力，以及小球在艾里光束作用下的運(yùn)動(dòng)軌跡。艾里光束將粒子捕獲到光強(qiáng)極大值處，然后將他們沿著拋物線軌道進(jìn)行輸運(yùn)。環(huán)境介質(zhì)的粘度以及小球受到的布朗運(yùn)動(dòng)力對(duì)小球軌跡的影響很大。另外，還討論了捕獲的勢(shì)阱深度以及不同勢(shì)阱能夠捕獲小球的最小半徑，捕獲的穩(wěn)定性可以通過(guò)增大小球半徑或者提高峰值光強(qiáng)強(qiáng)度來(lái)提高。
　　 2．基于有限差分格式和局部一維格式，提出了一種條件穩(wěn)定的高精度高效率的步長(zhǎng)劈裂非傍軸光束傳播方法(SSNP-LOD)來(lái)分析

3、三維的標(biāo)量波方程。在沒(méi)有傍軸近似或單向傳播近似下，將三維的標(biāo)量波方程轉(zhuǎn)化為兩個(gè)二維的波方程組。利用這種方法模擬高斯光束在真空中的非傍軸傳播以及導(dǎo)模在三維傾斜波導(dǎo)中的傳播，通過(guò)和其它方法進(jìn)行比較，驗(yàn)證了這種方法的高計(jì)算精度和高計(jì)算效率。
　　 3．將步長(zhǎng)劈裂的非傍軸光束傳播方法(SSNP-LOD)拓展到三維的半矢量波方程中，通過(guò)模擬導(dǎo)模在三維傾斜波導(dǎo)中的傳播，說(shuō)明這種方法在求解半矢量波方程時(shí)，仍然具有很高的精度和計(jì)算效率。同時(shí)，說(shuō)

4、明這種方法不僅適用于沿一個(gè)橫向傾斜的波導(dǎo)，對(duì)于沿兩個(gè)橫向都傾斜的波導(dǎo)中的光束傳播，此方法仍然適用。
　　 4．提出了一種MMs周期性金屬微結(jié)構(gòu)，應(yīng)用有限元方法，模擬了它的反射譜、吸收譜和透射譜，實(shí)現(xiàn)了紅外的雙帶近完美吸收器。通過(guò)調(diào)整周期單元長(zhǎng)度，可以實(shí)現(xiàn)任意單帶的完美吸收，在完美吸收處結(jié)構(gòu)的阻抗和真空匹配。同時(shí)，還討論了實(shí)現(xiàn)完美吸收的電磁機(jī)制。這個(gè)雙帶的近完美吸收器是偏振無(wú)關(guān)的，并且對(duì)于TE、TM偏振的平面波，入射角度在很大范圍