高斯光束在超常材料界面的反射光束角移研究

利用角谱理论,分别研究了高斯光束在空气与负、近零、超大折射率超常材料界面上的反射光束角移现象,揭示了光束角移与传统古斯-亨兴位移和伊姆伯特-费多罗夫位移的联系与区别。研究发现,光束角移随着折射率及损耗的减小而增大;在负折射率介质界面,角移可能抵消负的古斯-亨兴位移,从而导致光束的纵向位移为正。此外,在近零折射率超常材料界面,在较大范围内不存在横向角移,而在极大折射率超常材料界面,横向角移极小。因此,零折射率和超大折射率超常材料可以用来避免反射光束角移导致的角色散。     

薄膜-光栅混合结构中的古斯-亨兴位移与光束形变现象

讨论了基于薄膜-光栅混合结构的导模共振滤光片中的古斯-亨兴位移与光束形变现象.模拟结果表明,这种结构可以产生入射光波长300倍量级的横向位移量,同时位移最大的波长上反射率也最大,因而便于实验观测与在实际应用中提高能量利用率.分别采用经典的稳态位相法以及基于高斯光束角谱展开的数值计算方法,计算了有限大小光束入射到薄膜-光栅结构后所产生的古斯-亨兴位移效应以及相伴的光束变形效应,着重讨论了人射光束腰斑大小对位移量的影响,这些数值模拟可为下一阶段的实验打下理论基础.     

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。     

双棱镜结构中透射光束的古斯-汉欣位移

当入射角大于全反射临界角时,双棱镜结构中透射和反射光束的古斯-汉欣(Goos-Haenchen)位移具有饱和效应,并且只有波长数量级。利用稳态相位法研究了当入射角小于全反射临界角时双棱镜结构中透射光束的古斯-汉欣位移。研究表明,传播模式下透射光束的古斯-汉欣位移是空气层厚度、入射角和双棱镜折射率的周期性函数。当透射共振时,透射光束的古斯-汉欣位移可达入射波长的几十倍,与入射角大于全反射临界角的情况相比,透射光束的位移通过边界的相互作用具有共振增强效应;在非共振点处,对称结构中的反射光束具有与透射光束相同的古斯-汉欣位移。共振增强的透射光束的位移在光开关及光耦合器中具有潜在的应用。     

物理光学 光学性质、效应

O436 2005053266 双棱镜结构中透射光束的古斯-汉欣位移=Goos-Hanchen shift of the transmitted light beam in a two-prism configu- ration[刊,中]／朱绮彪(上海大学理学院物理系．上海 (200444)),李春芳…∥光学学报．-2005,25(5)．-673- 677 利用稳态相位法研究了当入射角小于全反射临界角 时双棱镜结构中透射光束的古斯-汉欣位移。研究表明, 传播模式下透射光束的古斯-汉欣位移是空气层厚度、入 射角和双棱镜折射率的周期性函数。当透射共振时,透射 光束的古斯-汉欣位移可达入射波长的几十倍,与入射角 大于全反射临界角的情况相比,透射光束的位移通过边界 的相互作用具有共振增强效应;在非共振点处,对称结构 中的反射光束具有与透射光束相同的古斯-汉欣位移。图     

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     

单负材料界面处反射相位特性研究

根据Maxwell电磁场理论,推导出线偏振单色平面波的普适菲涅尔表达式,得到特异材料反射相移计算公式。利用反射相移公式研究了线偏振单色平面波从空气入射到单负材料(ε0或μ0)时分界面处反射相位的特性。结果表明单负材料界面处反射相位连续变化,与传统材料全反射的相位变化特点相似。     

银树枝左手超材料的反常古斯-汉欣位移

左手超材料的反常古斯-汉欣位移研究在理论提出后一直没有相关的实验报道。采用干涉法,通过实验测量了银树枝左手超材料在部分反射下的反常古斯-汉欣位移。利用沃拉斯顿棱镜将入射光分为s偏振光和p偏振光,在经过银树枝左手超材料表面反射后,两束偏振光相互干涉得到了干涉图样;通过对干涉图样进行分析计算,得到了样品的古斯-汉欣位移。实验结果证实,当入射光与银树枝左手超材料的谐振频率一致时,古斯-汉欣位移值为负。     

银树枝左手超材料的反常古斯-汉欣位移EI北大核心CSCD

左手超材料的反常古斯-汉欣位移研究在理论提出后一直没有相关的实验报道。采用干涉法,通过实验测量了银树枝左手超材料在部分反射下的反常古斯-汉欣位移。利用沃拉斯顿棱镜将入射光分为s偏振光和p偏振光,在经过银树枝左手超材料表面反射后,两束偏振光相互干涉得到了干涉图样;通过对干涉图样进行分析计算,得到了样品的古斯-汉欣位移。实验结果证实,当入射光与银树枝左手超材料的谐振频率一致时,古斯-汉欣位移值为负。     

基于维格纳方程的电子的古斯-汉欣位移

通过求解电子的维格纳方程研究二维电子气中电子的输运性质.我们发现电子在倾斜入射到势垒界面并反射时,出现与光波类似的古斯-汉欣位移.通过维格纳方程可以得到电子的瞬态演化,不仅可以计算古斯-汉欣位移还能研究电子在势垒内部的运动轨迹以及出现稳定古斯-汉欣位移的时间.与稳定相位法得到的古斯-汉欣位移对比发现,考虑古斯-汉欣位移...     

半无限一维光子晶体的反射率

本文给出了入射到半无限光子晶体上的波的反射系数计算公式.对由普通材料、双负材料和单负材料组成的一维半无限光子晶体中光的反射进行了数值模拟计算.发现半无限光子晶体的反射率曲线与有限光子晶体相比变得平滑,是有限光子晶体迅速振荡的反射率平均的结果.TE波的反射取决于介电常数的差异,而TM波的反射取决于磁导率的差异.单负-单负材料中的场是倏逝场,存在一个通带使场无位相延迟的传播.当满足eB=-εA,μB=-μA和dA=dB条件时反射率变为零.     

负折射率平板透镜系统中的光束聚焦及相位补偿特性

利用平面角谱理论,建立厄米-高斯光束和拉盖尔-高斯光束在负折射率平板透镜系统中的傍轴传输模型,研究负折射率平板透镜中厄米-高斯光束和拉盖尔-高斯光束强度聚焦及相位补偿特性。结果发现:负折射率平板透镜产生的反向Gouy相移可以补偿空气中Gouy相移导致的相差,因而在满足相位匹配条件下,光束在物平面和像平面之间的相差为零;当强度聚焦和相位匹配条件同时满足的条件下,光束在物平面强度和相位分布可在像平面实现完全重构。     

电介质膜对受抑全内反射结构中古斯-汉欣位移的增强

受抑全反射结构中,反射光束和透射光束的古斯汉欣(Goos-Hanchen)位移同时存在,对称双棱镜结构的受抑全反射古斯汉欣位移通常只有波长量级,在实验中很难测量。计算了在入射角大于棱镜与空气界面的临界角小于棱镜与薄膜界面临界角时,镀有电介质膜的对称双棱镜的受抑全反射过程中入射光束的反射系数和透射系数的复数表达式。利用稳态相位法计算得出透射光束和全反射光束的古斯汉欣位移。结果表明,反射光束和透射光束古斯汉欣位移量相同,与入射角大小、薄膜厚度以及空气层厚度有关。在入射角小于但接近棱镜与薄膜界面的临界角,薄膜厚度和空气层厚度一定时,古斯汉欣位移量共振增强达到波长的数百倍。     

多个单负材料缺陷一维光子晶体的孪生缺陷模

分析了含有多个单负材料缺陷层的一维光子晶体中缺陷模的性质。在两种单负(负介电常量或负磁导率)材料交替堆叠形成的一维光子晶体中,掺入了多个周期排列的单负材料缺陷层,得到在该光子晶体的零有效相位(zero-effective phase)带隙内存在孪生缺陷模。通过改变缺陷的数目或缺陷层的厚度,可调节缺陷模的频率间隔,但缺陷模的数目总保持为两个。计算结果显示,该孪生缺陷模的频率对入射角度的依赖较弱;随着入射角度的改变,缺陷模频率的相对改变量总保持在0.03以下。此外,对应缺陷模频率的电场在该光子晶体中传播时,将被强烈地局域在缺陷层与周期结构的交界面上。     

含负磁导率或双负材料的一维光子晶体的全方位带隙中波的反射相位特性

运用传输矩阵法研究了含负磁导率或双负材料的一维光子晶体结构在全方位光子禁带中波的反射相位谱.研究发现"负磁导率材料-正折射率材料"光子晶体和"双负材料-正折射率材料"光子晶体,在所述带隙中,对TE波而言,反射相位随入射角的增大而增大;对TM波而言,禁带频率范围内波的反射相位随入射角的增大而减小;TE波和TM波,两种结构的反射位相均随介质层的厚度缩放因子增大而增大,且都与周期数无关.     

相位翻转厄米-高斯光束的传输特性

将相位翻转高斯光束的概念推广到相位翻转高阶模光束.以相位翻转厄米-高斯光束为例,推导出相位翻转高斯光束通过近轴理想(无光阑)ABCD光学系统,以及带刀口和光阑的ABCD光学系统传输的递推方程,并用以研究相位翻转高斯光束的传输特性.特别是,得出对TEM1、TEM2和TEM3模相位翻转高斯光束,光阑效应可以忽略的条件分别是截断参量δ≥2.1,2.5和 3.0.     

基于古斯-汉欣位移的双通道窄带滤波器

本文利用光束在对称金属包覆波导表面反射得到的异常大的古斯-汉欣(Goos-Hänchen)位移,通过实验实现了双通道窄带滤波.当入射激光波长为859.60 nm时,两通道滤波的峰值位置分别为859.604 nm和859.688 nm,峰值半宽(FWHM)为0.036 nm,而消光比达到15.3 dB.峰值波长可通过改变入射角或小孔位置实现调谐. 关键词： 古斯-汉欣(Goos-Hä nchen)位移 光波导 双通道 滤波器     

基于奇异光学束缚态的古斯-汉欣位移增大

作为一类具有代表性的光学共振模式,光学束缚态已被用于大幅增大古斯-汉欣位移。然而,在大多数的研究工作中,人们利用的是透射型的束缚态来增大古斯-汉欣位移。因此,古斯-汉欣位移的峰值位于透射谱的极大值(即反射谱的极小值)处,对应的反射率很低,这不利于实验测量与实际应用。本综述阐述了本课题组在近年来利用两种奇异的光学束缚态增大古斯-汉欣位移的研究情况。第一种光学束缚态为四部分光栅-波导复合结构中的连续谱准束缚态。古斯-汉欣位移的峰值位于反射谱的极大值处,反射率高达100%。第二种束缚态为光子晶体异质结中的界面态。界面态的反射率可由光子晶体的虚相位的失配程度进行灵活调节。古斯-汉欣位移的峰值虽位于反射谱的极小值处,但反射率仍可达到97.6%。这两种奇异的光学束缚态在大幅增大古斯-汉欣位移的同时,保持了较高的反射率,这克服了传统增大古斯-汉欣位移的方法的低反射缺点。由于这两种奇异的光学束缚态具有较高的反射率,古斯-汉欣位移将更容易在实验上被测量到,因此后续有望将其应用在各类高性能传感器、光开关、光存储器件、波分(解)复用器件和偏振分光器件的设计中。     

光束在左手材料中的强度和相位旋转特性

建立了左手材料中拉盖尔高斯光束传输模型,通过研究拉盖尔高斯光束的相位分布来分析光束的强度旋转特性。具体分析了光束参数模式、Gouy相、频率和色散对光束强度和相位旋转特性的影响。研究发现:方位角相差是导致光束强度旋转的主要原因;负折射率引起的逆的Gouy相移将会导致光束强度反转;在正常色散区左手材料中光束的强度和相位旋转方向是相同的,而在反常色散区,左手材料中光束的强度和相位旋转方向是相反的。     

损耗型单负材料双层结构的反射率及偏振度

通过传输矩阵法,理论研究了损耗型单负材料双层结构在不同入射角时的反射率和偏振度。结果表明,损耗型单负材料双层结构不同于常规介电材料,随着入射角的增大,p分量反射率比s分量的反射率大。随着损耗(电损耗和磁损耗)的增大,p波的反射率和s波的反射率差异减小,直到重合,偏振度变为0。对于损耗型单负材料双层结构,当MNG层厚度增大时,偏振度变化幅度减小;而当ENG层厚度增大时,偏振度变化幅度增大。