可见光波在天然金属基界面正负折射机理的研究和进展

Snell定律揭示了光在穿越不同介质界面时的传播和折射规律,这是现代物理光学的重要基础。追求完美光学透镜的途径之一是寻找正负折射率匹配材料,但在相当长时期内,在自然界中从未发现有违背Snell定律的天然负折射率材料存在。在本研究工作中制备了一系列入射角精确可控的楔形贵金属金和银等样品,采用不同波长的激光,对于光在最简单的天然贵金属界面传播时所发生的由负到正折射特性变化进行了定量实验测量,获得表观折射率随入射和折射角变化的定量关系。对于导致奇异光折射现象的各种争议性机理进行了细致探索和讨论,这与等离子体、负磁导率和Goos-Hanchen等效应无关。研究结果将有助于人们理解光在金属基微结构中发生正负折射传播的物理机理,从而为新型微纳光电子材料和器件的研制和应用建立基础。     

单轴晶体中的负折射现象研究

分析了在各向同性介质和单轴晶体界面实现负折射的最佳条件。计算发现,通过调节光轴角和各向异性参量可以使得负折射现象更为明显,获得最佳光轴角和最大入射临界角。各向异性强的晶体实现负折射的入射角范围可能会很大。讨论了单轴晶体中和负折射率介质中的负折射现象的区别：负折射率介质中的负折射是由负的折射率引起的,单轴晶体中是由于各向异性决定的。同时还发现单轴晶体中的能流负折射现象不能实现Pendry在理论上所预言的完美透镜。     

基于双层金属开口环谐振器结构的U波段左手材料

基于左手介质的传输线理论,经过估算尺寸后设计出相应的结构并仿真得到散射参量,然后利用Smith的参量提取方法提取有效介电常量、有效磁导率和折射率,对一种双层金属开口环谐振器结构的U波段左手材料的传输特性和电磁参量特性进行分析.数值仿真结果表明,该结构在48.8～59.9GHz频带内有效介电常量和有效磁导率均为负值,同时在该频率范围内具有负折射特性,从而证实了该结构在U波段的左手特性,对左手介质在更高波段的研究具有一定的参考意义.     

基于双层金属开口环谐振器结构的U波段左手材料

基于左手介质的传输线理论,经过估算尺寸后设计出相应的结构并仿真得到散射参量,然后利用Smith的参量提取方法提取有效介电常量、有效磁导率和折射率,对一种双层金属开口环谐振器结构的U波段左手材料的传输特性和电磁参量特性进行分析.数值仿真结果表明,该结构在48.8～59.9 GHz频带内有效介电常量和有效磁导率均为负值,同时在该频率范围内具有负折射特性,从而证实了该结构在U波段的左手特性,对左手介质在更高波段的研究具有一定的参考意义.     

太赫兹波段双频带手征性超表面的设计

提出一种具有巨旋光性和负折射特性的双频带手征性超表面结构,该手征性超表面由中间介质层和双层共轭卍字形周期排列而成;通过研究面电流密度分布,解释了巨旋光性和负折射率产生的原因;研究了手征性超表面单元结构的连续圆金属贴片半径和介质层厚度对该结构旋光性和负折射特性的影响。数值模拟结果表明:该结构在0.1～2 THz频率范围内有4个谐振频点,在谐振频点附近,平均折射率均为负值,实部幅值最大为-3.7;该结构在谐振频点附近显示了巨旋光性以及双频带的左旋圆偏振波和右旋圆偏振波负折射特性,最大偏振旋转角达到了122°,右旋圆偏振波折射率实部幅值可达-12.74。     

负折射率材料透镜的消色差

以工作在近红外波段0.848 μm～1.114μm,焦距100 mm,入瞳直径20 mm,具有负阿贝数的负折射率平凹透镜为例,介绍了两种对该类负折射率透镜的消色差设计方法,即利用正折射率材料透镜与负折射率材料透镜组合消色差和负折射率透镜中引入衍射光学元件实现折衍射混合透镜消色差方法.结果表明,正负折射率材料透镜组合消色差方法中正折射率材料透镜承担几乎全部光焦度,进而引入大量额外单色像差,但利用衍射光学元件可以在不引入额外像差的同时实现负折射率透镜的消色差.根据负折射率材料在介质与空气分界面的特殊折射特性,推导了以负折射率为基底的衍射光学元件的衍射效率公式,得到衍射微结构高度公式,求出不同波长处的衍射效率值.负折射率二元衍射光学元件在设计波长0.912 μm处衍射效率为40.53％,在波长0.848 μm处的衍射效率为35.06％,在波长1.114 μm处的衍射效率值为39.83％.     

色散负折射特异介质的1维光子晶体缺陷态

在1维光子晶体中引入色散负折射特异介质,分析了其介电常数和磁导率在微波区（1～10 GHz）与频率的关系。分别对以色散负折射介质为缺陷的正折射率介质光子晶体及以正折射率介质为缺陷的正负折射率介质光子晶体进行了数值仿真,得出了均匀平面电磁波在正入射和斜入射时的透射谱。结果表明:在介电常数和磁导率均为负值的不同禁带中,分别出现了单、双缺陷模。利用透射谱的这一特点,可实现单、双通道滤波。     

负折射介质中超短脉冲的反常分裂现象

对超短脉冲在负折射介质中的传输特性进行了研究,着重分析其不同于常规介质的反常脉冲分裂现象。结果表明:由于负的折射率影响,介质将通过反常群速度色散与自散焦非线性的相互作用机理来诱导脉冲的对称分裂。同时,分析由色散磁导率所导致的可控自陡效应对脉冲分裂的影响,发现负折射介质中正负的自陡效应都会引脉冲非对称分裂。其中负的自陡效导致脉冲裂变后其后沿比前沿高,这与常规介质自陡效应（恒为正）情形相同;而负折射介质正的自陡效应对脉冲分裂影响刚好与前者相反,即裂变后脉冲后沿比前沿低。     

拉曼效应对负折射介质中超短脉冲传输的影响

通过数值法对包含拉曼延迟响应的(3+1)维非线性薛定谔方程进行求解,研究了超短脉冲激光在负折射介质中传输时拉曼效应对自聚焦传输特性的影响,着重分析其不同与常规介质的反常传输现象.结果表明:由于负的折射率影响,拉曼效应将导致超短脉冲在自聚焦过程中频谱发生蓝移现象,这与常规介质对应情形相反;而它对负折射介质中超短脉冲的自聚焦特性的影响与常规介质相同,即拉曼效应将诱导自聚焦效应首先发生在脉冲的前沿.本文研究工作对将来利用负折射介质来操控超短光脉冲串产生、自聚焦等许多实际应用领域研究具有重要的指导意义.     

光波在左手材料中全折射的理论分析

根据菲涅尔公式,从理论上证明了只有在左右手系两种介质中光波才能发生全折射现象,给出了产生全折射时介质折射率应满足的条件n1=－n2,μ1=－μ2.对n2=－1的负折射率平板的成像进行了分析讨论,此负折射率平板具有透镜的作用.     

Dual-band negative index metamaterial: double negative at 813 nm and single negative at 772 nm

This work is concerned with the experimental demonstration of a dual-band negative index metamaterial. The sample is double negative (showing both a negative effective permeability and a negative effective permittivity) for linearly polarized light with a wavelength between 799 and 818 nm, and the real part of its refractive index is approximately -1.0 at 813 nm. The ratio of -Re(n)/Im(n) is close to 1.3 at 813 nm. For an orthogonal polarization, the same sample also exhibits a negative refractive index in the visible (at 772 nm). The spectroscopic measurements of the material are in good agreement with the results obtained from a finite-element electromagnetic solver for the actual geometry of the fabricated sample at both polarizations.     

Needle-based refractive index measurement using low-coherence interferometry

We present a novel needle-based device for the measurement of refractive index and scattering using low-coherence interferometry. Coupled to the sample arm of an optical coherence tomography system, the device detects the scattering response of, and optical path length through, a sample residing in a fixed-width channel. We report use of the device to make near-infrared measurements of tissues and materials with known optical properties. The device could be used to exploit the refractive index variations of tissue for medical and biological diagnostics accessible by needle insertion.     

Investigation of dual-channel fiber-optic surface plasmon resonance sensing for biological applications

A dual-channel fiber-optic sensor based on surface plasmon resonance (SPR) for self-referencing refractive-index measurements has been proposed. Most applications of fiber-optic SPR sensors are designed to measure the refractive index of a liquid or gas sample by measuring the signal from a single surface, the sensitivity and stability of which is easily affected by the fluctuation of external environmental conditions. We have designed a dual-channel fiber-optic surface sensor with two independent SPR signals from two areas of the same probe. A prototype sensor was fabricated and characterized. The preliminary experimental results demonstrate the characteristic responses of both SPR signals from two channels that independently correspond to the refractive index changes in the liquid samples with which they are in contact. The design could be extended to a multichannel sensor with further developments. The experimental results confirmed that one channel can be used as a reference sensor that could compensate for unexpected changes in bulk refraction or temperature and develop this sensor as a practicable high-sensitivity biosensing device.     

偏光棱镜长度孔径比与材料特性的关系

为了掌握激光偏光棱镜的长度孔径比情况,根据激光的特点和不同晶体材料特性,利用光在各向异性晶体中的传播规律,分析了长度孔径比受材料双折射率、胶合剂折射率等因素的影响。研究显示,同一材料中两个主折射率的较大者决定了长度孔径比的最小值,而较小者决定了长度孔径比的最大值;有较大主折射率的材料,相应器件长度孔径比也小;选用低折射率的胶合剂,有利于缩小器件长度孔径比。此结果也可以作为多波长使用情况下的偏光器件的设计参考。     

Forming the graded-refractive-index antireflection layers on light-emitting diodes to enhance the light extraction

Distributed antireflection (AR) layers with different composition ratios of ITO and SiO(2) formed on an ITO electrode of GaN-based LEDs provide substantial enhancement in light-extraction efficiency. By using the coradio frequency magnetron sputtering deposition, four 50 nm thick AR layers with graduated refractive indices were fabricated. The effect of the AR layers on enhancing the efficiency of the LED device was analyzed by electroluminescence (EL) and I-V measurements. As a result, the EL intensity of the LED device grown on the patterned sapphire substrate with AR layers was increased by up to 13% compared to the conventional patterned sapphire substrate-applied LED device without AR layers at a drive current of 20 mA. The AR layers on top of the LED device gradually changed the refractive indices between ITO (n=2.1) and air (n=1.0), which minimized the total internal reflection of generated light. And no degradation in the electrical characteristic of the LEDs was observed according to the I-V measurements.     

非线性曝光对三维全息光子晶体禁带特性的影响

从理论和实验两方面研究了非线性曝光对全息方法制作光子晶体的影响.使用低折射率材料（n=152）制作了金刚石结构光子晶体,通过控制曝光量使记录介质工作在非线性曝光区域,发现光子禁带的特性得到了明显的改善.并由此提出了用低折射率材料实现全空间禁带的设想. 关键词： 光子晶体 光学全息 非线性曝光     

新型MOLEDs的光学性能

将负折射率介质层(NRIDL)引入到微腔有机电致发光器件(MOLEDs)中,设计了新型的微腔器件。利用传输矩阵法对此器件的反射率大小、器件厚度对发射峰的影响以及电致发光(EL)光谱性质进行了分析和讨论。结果表明:与普通微腔器件相比,新型微腔器件的谱线宽度显著窄化,峰值强度明显增强,并且受腔体长度的影响较小。这些结果为进一步提高微腔器件的发光色纯度、薄化器件厚度提供了新方法。     

一种用于密集波分复用系统中的可调谐液晶法布里-珀罗滤光片

基于液晶分子的双折射特性，设计并制作了一种结构简单的可用于波分复用系统中的可调谐液晶法布里-珀罗滤光片。对器件的光谱调谐特性进行了分析和模拟，并得到了液晶分子的折射率调制与其分子在电场作用下产生的转动角度之间的关系式。最后，对所设计的结构进行了制作和实验，测试结果显示了滤光片的性能受液晶分子的排列特性和法布里-珀罗腔的反射镜参量的影响较大，同时实验表明了这种利用向列型液晶分子作为法布里-珀罗腔内介质的可调谐滤光片在加电压调试下其调谐性能良好，调谐范围可覆盖C波段，透过峰的半峰全宽达到了0．8nm，实验结果与设计相吻合。     

负折射率材料对产生Casimir排斥力的影响

研究了负折射率材料对产生Casimir排斥效应的影响. 两材料板间的Casimir排斥力的发生取决于两板以及其间媒质的电磁特性,通过理论与数值结果的分析研究给出电磁特性所影响排斥力的产生趋势. 对于由Drude-Lorentz型色散关系描述等效介电常数和磁导率的负折射率材料,调节各特征频率参数可实现Casimir排斥效应. 关键词： Casimir排斥力 负折射率材料 Drude-Lorentz型色散关系     

基于金属孔阵列的聚酰亚胺薄膜太赫兹探测

优化设计了多种不同孔径和形状的太赫兹波段的亚波长金属孔阵列结构,结合超薄低折射率的聚酰亚胺（PI）薄膜,探索了太赫兹时域光谱技术对超薄低折射率的探测灵敏性。利用飞秒微加工技术制备了一系列亚波长金属孔阵列结构,利用太赫兹时域光谱技术测试了阵列结构的反射波谱,获得了强烈的反射共振现象。然后在亚波长金属孔阵列结构背面叠加PI薄膜,结果表明太赫兹反射峰出现了显著低频移动现象。利用这一现象,实现了低至10 m的PI薄膜的有效探测,说明亚波长金属孔阵列结构在太赫兹传感领域对检测超薄低折射率薄膜材料有极强敏感性。收稿日期:; 修订日期: