圆偏振光在手征负折射材料表面的反射和极化特性研究

从理论上分析了圆偏振光入射到手征负折射材料表面的反射与透射特性,给出了归一化反射透射功率与入射角的关系曲线以及布儒斯特角与手征参数之间的关系曲线.当入射角大于两个本征波的临界角时,全内反射现象发生.由于手征负折射介质中的一个本征波发生了负折射,右旋或左旋圆偏振光入射时反射波的极化态有着与常规介质完全不同的特性,以布儒斯特角入射时反射光都为线偏振波但极化方向并不相同.     

线偏振光在手征负折射材料表面的传输特性研究

从理论上研究了手征负折射材料表面的反射与透射特性,给出了归一化的反射透射功率与入射角之间的关系曲线.当入射波分别为垂直和平行极化波(TE和TM波)时,得到了发生负折射时的布儒斯特角和全内反射角随手征参数和材料折射率的变化关系.手征负折射介质中的一个本征波发生了负折射,其功率流方向与波矢方向相反.     

光轴平行于界面的单轴手征介质中的负折射研究

研究了光轴平行于界面时单轴各向异性手征介质中实现负折射的条件, 并详细分析了该介质中两个本征波在不同电磁参数和手征参数下折射角随入射角的变化规律. 结果表明, 利用单轴各向异性手征介质实现负折射, 条件更加宽松, 甚至在弱的手征参数下也可能实现负折射, 且在不同的介电常数、手征参数和入射角下, 该手征介质中两个本征波的相折射角存在很大的差异, 在特殊条件下, 某一个或两个本征波不能在介质内传播.     

拓扑绝缘体和手征介质界面的Goos-Hnchen位移和Imbert-Fedorov位移

研究了线极化波在拓扑绝缘体和手征介质分界面上全反射时的Goos-Hnchen(GH)侧向位移和Imbert-Fedorov(IF)横向位移特性.使用修正的能流法推导出各位移表达式,数值计算分析了入射角、拓扑磁电耦合效应、手征性等对位移的影响.结果表明,当TE波入射时,拓扑绝缘体的磁电耦合效应或手征介质的手征性对两种位移的影响较为一致,即拓扑磁电耦合对GH和IF位移均为抑制,手征性对位移基本为单调增强或单调抑制.而TM波入射时,拓扑磁电极化率会使位移先增大后减小,位移存在一个极值,手征参数的增大使该极值向拓扑磁电极化率较小值方向移动;手征参数对位移的影响虽基本上是单调性的,但在某些情况中较为特殊,如右旋圆极化波的GH位移在拓扑磁电极化率对位移增强阶段,手征性也将增强位移,而在拓扑磁电极化率对位移抑制阶段,手征性也同时抑制位移.对拓扑绝缘体和手征介质界面GH和IF位移的研究,为测量拓扑磁电耦合特性及手征电磁交叉极化性质提供了一种光学方法.     

含单负介质层受阻全内反射结构的光子隧穿现象研究

利用稳定相位理论得到了光子穿越含单负介质层受阻全内反射结构的隧穿时间以及光子穿透光学势垒后产生的横向位移.分析结果表明，当势垒为单负介质时，光子隧穿可能表现出负的隧穿时间和负的横向位移.隧穿时间和横向位移存在Hartman效应，使得光子隧穿过程具有超光速性质.此外，基于TM波和TE波通过负介电常数介质和负磁导率介质势垒产生的横向位移的方向正好相反，得到了一种有效的区分两类单负介质的方法. 关键词： 光子隧穿 负折射 单负介质 超光速     

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。     

手征和运动介质界面异常光自旋霍尔效应

文章讨论了偏振高斯光束在空气-手征介质界面的反射和折射问题,发现了反射和折射光束的异常自旋霍尔效应.在某些特定的角度下,反射高斯光束重心的移动可以达到几十个波长的量级,通过调节手征参数,甚至会出现折射光重心移动方向由正到负的转变.文章还讨论了任意偏振高斯光束在空气-运动介质界面的反射和透射问题,当介质垂直于入射平面运动时,反射和透射光束的横向移动可以达到几个波长的量级,甚至在某些运动速度下可以实现移动方向正负的改变.这些研究对控制光的自旋霍尔效应提供了可能的途径.     

边界效应的相互作用及透射光束的反向Goos-Hanchen位移

根据Goos-Hanchen (G-H)位移的定义［1，2］，入射角为θ的TE光束通过空气中厚度为a、折射率为n的光密介质板时，透射光束的G-H位移为Δy=(2kya)/(kx) (k2x(k2x+k′2x)/k40)/(4k2xk′2x/k40+sin2k′xa)-(ky)/(kxk′x) (sin2k′xa)/(4k2xk′2x/k40+sin2k′xa)(1)其中kx、k′x分别为光束在空气和介质板中的波矢量在垂直于介质板方向上的分量，ky为光束的波矢量在平行于介质板方向上的分量，k20=k′2x-k2x。式(1)给出的光束的G-H位移不同于折射定律给的结果atanθ′，这里θ′由折射定律决定nsinθ′=sinθ。由式(1)可见，透射光束的G-H位移为负的充分条件是k2x(k2x+k′2x)/k40sin2k′xa/2k′xa,这就要求k′xa比较小，即介质板的厚度比较小。G-H位移为负说明在这种情况下，光密介质板的等效折射率为负，这个现象有点类似于Shelby等人最近发现的负折射率现象［3］。当介质板的厚度很大时，式(1)的第二项与第一项相比可以忽略不计，此时G-H位移大于零。可见G-H位移为负是介质板的两个边界共同作用并相互影响的结果。但这时的G-H位移与折射定律给出的结果还是不同的。值得指出的是，对于具有一定发散角的光束而言，式(1)的第一项的第二个因子和第二项的本身是入射角的函数，从而是k′xa的周期函数，当玻璃板的厚度较大时，对这些周期函数在一个周期内平均可得<Δy>atanθ′，这正是由折射定律求得的结果。     

各向异性超常材料的偏振分离特性

提出了一种利用含有负介电常量和磁导率张量的各向异性超常材料实现偏振分离的方法。通过分析电磁波在无损耗各向异性超常材料中的传输性质以及透射率与入射角度的关系,分类比较了由不同符号的介电常量和磁导率张量组合而成具有不同波矢面的各向异性超常材料的偏振分离特性,比较结果表明波矢面为单叶双曲面和椭球双叶双曲面的各向异性超常材料的偏振分离特性强。前者可以实现入射波中的s分量和p分量中某一分量正折射,另一分量负折射,且在一定条件下可以同时全透射,从而实现大角度偏振分离。后者在一定条件下可实现入射波中的s分量和p分量某一分量全反射,另一分量全透射,从而实现偏振分离。最后,对从各向同性介质入射到这两种各向异性超常材料中的高斯光波的传输进行了模拟计算,结果表明这两种各向异性超常材料可以实现很好的偏振分离功能,有潜力成为新型的偏振分离元件。     

分层有耗手征介质中斜入射电磁波的传播矩阵

根据相位匹配条件,推导了平面电磁波斜入射情形下分层有耗手征介质中本征波复数波矢量的实部和虚部,二者方向不同使得在介质中传播的本征波为非均匀平面波.然后通过波矢量实部确定了介质中本征波的折射角.最后根据边界条件和本征波场方程给出了分层有耗手征介质中斜入射电磁波的传播矩阵,该传播矩阵可用于解析分析任意入射角情形下分层手征介质的反射透射和电波传播特性.     

Omnidirectional reflectance gaps and resonant tunneling effect in a one-dimensional photonic crystal consisting of two metamaterials

We investigate the properties of electromagnetic wave propagating in a one-dimensional photonic crystal (PC) consisting of two metamaterials with different dispersive model. The reflection gaps of metamaterials multilayer system are independent of the incident angle. Not only TE wave but also TM wave, the omnidirectional reflection gaps exhibit the same behavior with different incident angle for metamaterials as double negative material. We also observed that the frequency regimes of zero-transmission bands are different for TE and TM wave with the same incident angle, when one of metamaterials is the permittivity negative (ε < 0) and the other is the double negative. Correspondingly, we show that the result can be act as an efficient polarization splitter. At last, we discuss the resonant tunneling effect. If the total reflection condition is satisfied, the resonant tunneling effect is enhanced as the incident angle increases, even though the propagation wave is evanescent wave in the single layer medium.     

各向异性光子晶体的全反射隧穿偏振特性

为了研究一维各向异性光子晶体的全反射隧穿偏振特性,利用传输矩阵法计算了TE波和TM波以大于全反射角入射一维各向异性光子晶体时的透射率,在透射波中发现了TE波和TM波的一、二级全反射隧穿带.得出了与一维各向同性光子晶体的全反射隧穿效应的不同点,即TE波和TM波的一、二级全反射隧穿带的频率中心和频率宽度存在着较大的差异,利用这个特性可以将两种偏振光进行频率分离,为设计优质偏振滤波器提供理论依据.     

高斯光束在单轴挛晶界面上的反射与折射

给出了高斯光束入射到挛晶结构的电磁场分布,解出了反射系数和透射系数。根据晶体的色散关系解出了入射角、反射角和折射角关于晶体参量及波矢的方程,并根据角度方程给出了在一定参量下反射角和折射角关于入射角变化的关系图,以图示的方法显示了光束在界面处的异常性质。根据角度关系和反射、透射系数分析了异常光束在界面处能够出现二性折射、负反射、全透射和全反射等光束的奇特性质;分析了出现这些奇特性质对晶体参量和入射角所要求的条件。根据时间平均的能流密度公式,用数值模拟的方法给出了二性折射、全透射和全反射在特定参量下的高斯光束在挛晶内的能流密度分布图及当发生全反射时不同宽度光束在界面处关于入射角的古斯-亨兴(Goos-Hanchen)位移。     

光在一维光子晶体中的全反射贯穿效应

为了研究一维光子晶体中光波的全反射贯穿效应,利用传输矩阵法计算了TE波和TM波在大于全反射角入射一维光子晶体的透射率.在透射波中发现了全反射贯穿效应,得出了全反射贯穿效应随入射角的变化规律、全反射贯穿效应的波长特性以及全反射贯穿效应随介质光学厚度的变化规律.利用波的量子理论和渐逝波的理论对一维光子晶体的全反射贯穿效应作出了理论解释.     

光子晶体全反射贯穿偏振滤波器的理论研究

 为了研究1维光子晶体中光的全反射贯穿效应及其偏振滤波特性,利用传输矩阵法计算了TE波和TM波在大于全反射角入射1维光子晶体的透射率,发现在透射波中出现了全反射贯穿效应。研究了TE波和TM波的全反射贯穿效应随介质光学厚度和周期数的变化特征,表明：全反射贯穿峰的频率随介质光学厚度的增加而减少,全反射贯穿峰数与周期数相等。且全反射贯穿效应具有优良的偏振滤波特性,利用这些特性可以设计出结构简单、控制方便的1维光子晶体的偏振滤波器。     

Large and negative Goos-Hänchen shift near the Brewster dip on reflection from weakly absorbing media

Applying Artmann's formula to a light beam in the TM state of wave polarization, we show analytically the existence of a large and negative Goos-H?nchen shift near the angle of the Brewster dip on reflection from a weakly absorbing semi-infinite medium. The shift is opposite that in the case of total internal reflection, and it can be an order of magnitude larger than a wavelength if the absorption of the reflecting medium is sufficiently weak. Examples are given, and the detectibility of the shift is discussed.     

Positively and negatively large Goos–Hänchen lateral displacements from a symmetric gyrotropic slab

A detailed study on the lateral displacements of a transverse magnetic (TM) wave transmitted and reflected from a symmetric gyrotropic slab is presented. We give the analytic formulas for the transmission coefficient and the reflection coefficient, as well as the corresponding lateral displacements. It is found that due to the external magnetic field the displacement of a transmitted beam is different from that of reflected one, even for a lossless symmetric configuration. Furthermore, within the chosen frequency band, when the incident angle is near the Brewster angle, the shift of a reflected wave can be large with nonzero reflectance, and can be positive or negative depending on the direction of the applied magnetic field and the incident wave.     

非线性左右手媒质界面的Goos-Hänchen位移

 由均匀平面电磁波在左右手媒质界面满足的切向边界条件出发,推导了电磁波由线性传统媒质入射到非线性左手媒质时波的传播特性。利用时间延迟的方法,给出全反射情况下媒质界面非线性Goos-Hänchen位移表达式。分析了非线性左手媒质界面的侧向位移随入射角及入射波电场强度的变化关系,发现入射波场强对传输特性起决定作用:当入射波电场小于临界场强时,调节入射场强可以控制相应的侧向位移;当入射波电场大于临界场强时,不再满足全反射条件,部分入射波透射到非线性介质中。波导中加入非线性介质不仅可以调节侧向位移的大小,且可以实现对入射波场强的控制。     

Simple technique for measuring the Goos-Hänchen effect with polarization modulation and a position-sensitive detector

An original approach to directly measuring the Goos-H?nchen longitudinal shift between TE and TM polarization states during a total internal reflection is introduced. The technique is based on the modulation of the polarization state of a laser by an electro-optic modulator combined with a precise measurement of the resulting spatial displacement with a position-sensitive detector. This method presents many advantages over other techniques and allows measurements at different wavelengths over a broad range for the incident angle.     

Lateral beam shift at transmission through layered structures with negative index material

We studied electromagnetic wave transmission through layered structures that include negative index materials. The excitation of leaky guided modes leads to the formation of anomalous lateral shifts in the reflected beam with a double-peak structure and in the transmitted beam with a single-peak structure. In the absence of losses, we demonstrate that the total transparency (i.e. zero reflection) of the slab waveguide with the negative index material can be achieved under conditions in which high reflectivity is normally expected. We demonstrate the trade-off effect between the high transmission and the high lateral shift. This peculiar effect exists not only for the pure TE or the pure TM polarization of the obliquely incident radiation, but also under certain circumstances for both of them simultaneously i.e. for the nonpolarized radiation.