可見光波段電磁波在金屬-空氣界面?zhèn)鬏斠?guī)律實驗研究.pdf

1、早在17世紀Snell和Descartes發(fā)現(xiàn)光線穿越由不同介質構成的界面時會發(fā)生折射的現(xiàn)象,被稱為Snell折射定律,成為奠定現(xiàn)代光學原理的重要基石之一。這一定律被廣泛應用于透明物質,但應用在金屬吸收介質(即光線通過吸收介質/介質邊界)時的情況,至今仍是一個未被很好解決的難題。即使對于最簡單的情況,假設由金屬和大氣構成的界面,電磁波穿越金屬/空氣邊界時發(fā)生的折射可由Snell公式表達:n1sinα=～n2sin～β,式中空氣的折射率n

2、1=1,α是空氣一側的入射角,～n2是金屬的復折射率,因此,折射角～β也將是復角。但實際上,復數(shù)角～β只是一個數(shù)學上的概念,缺少與其對應的物理意義,光線在物質中的傳播路徑必須為實數(shù)。
　　 國際上較早對這個問題的討論是在Kudykina的文獻中[l],對于垂直入射吸收介質的光電磁波的s分量進行了討論,得出該情況下Snell定律是和在普通介質中形式一樣。另一種討論[2]是通過對一般的Snell公式(n1sinα=～n2sin～β)

3、進行數(shù)學變換進行的,即～n→n(1+ik),在此基礎上,給出了實數(shù)β角和n2的推導表達式。但這些結果并沒有在實驗上給予充分驗證和給出更完整的理論解釋[3]。
　　 至今,對于這個問題的解釋仍然沒有定論,而與之相關的很多方面(如負折射[4-7]、人工材料(LHM)[8-10]、光子晶體[11-13]、金屬環(huán)諧振器(SRR)、表面等離子體[14-15]等)都成為近年來最熱門的話題,頻頻出現(xiàn)在Nature,Science,Physic

4、al Review Letter等一流雜志上,世界范圍內的研究小組通過各種不同的實驗和理論模擬,都在探索與本領域相關的問題,人們也正越來越接近這個歷史性謎題的答案。
　　 本工作對電磁波在金屬中傳播的復折射率這一問題進行了初步研究,特別地對于可見光波段電磁波,通過測量它在通過金屬/空氣邊界的實際折射角β和相應的等效折射率n2值,對其折射率性質進行了研究。
　　 本工作采用了光程放大原理對極微小的物理量——折射角進行了測量

5、,設計了光線從楔形金屬樣品底邊垂直入射的光路結構,分析了光線在通過金屬吸收介質/空氣邊界上的折射規(guī)律。在研究中,首先采用單一波長激光光源觀察了光在金/空氣界面的折射現(xiàn)象,通過實驗裝置和測量方法的改進,使得實驗數(shù)據(jù)測量的穩(wěn)定性有了很大的提高。接著又系統(tǒng)地選用了三種有代表性的不同波長的光源,制備了一系列樣品,對光在金/空氣和銀/空氣界面的折射角進行了細致的實驗測量和完整地數(shù)據(jù)分析,獲得了有規(guī)律性的結果。最后,還結合Drude模型對光學常數(shù)的