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超高階導模共振原理及應用 版權信息
- ISBN：9787030673534
- 條形碼：9787030673534 ; 978-7-03-067353-4
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
超高階導模共振原理及應用 內容簡介
本書擬全面并且系統地闡述超高階導模的基本原理和它在各個領域的應用，并且配以很詳實的實例，以便讓更多科研人員和技術人員了解這一簡單、實用并且高效的光學技術手段。目前，基于金屬納米結構的光學現象一直是研究的熱點，并由此誕生了超材料、表面等離激元學、拓撲光子學等新的交叉學科。而超高階導模是納米尺度的金屬膜包覆介質平板波導中所特有的一種振蕩場模式，它具有偏振無關、模式密度極高、高Q值、可以自由空間耦合等特性；谶@些特點，超高階導模被運用到了多個領域中。本書適用于電子科學、物理、通訊工程等專業的本科生和研究生，也適用于從事相關行業的科技人員作參考書使用。
超高階導模共振原理及應用 目錄
目錄
前言
第1章 金屬的光學特性 1
1.1 導體中的電磁波 1
1.2 Drude模型下的復介電系數 4
1.3 金和銀 8
1.4 金屬界面的折射和反射 13
1.5 單層金屬膜的透射和反射 17
1.6 金屬內負折射效應的探討 21
1.7 本章小結 23
參考文獻 24
第2章 轉移矩陣理論 25
2.1 散射矩陣和轉移矩陣 25
2.2 分析轉移矩陣 30
2.3 反射率、透射率和波函數 34
2.4 轉移矩陣求解光子禁帶 38
2.5 本章小結 44
參考文獻 44
第3章 平板波導結構 45
3.1 平板波導的模式 45
3.2 介質平板光波導 48
3.2.1 波導的模式 48
3.2.2 功率束縛比例因子 53
3.3 表面等離激元波導 55
3.3.1 單金屬/介質界面 58
3.3.2 MDM結構 63
3.3.3 DMD結構 65
3.4 本章小結 69
參考文獻 70
第4章 雙面金屬包覆波導 71
4.1 雙面金屬包覆波導的模式 71
4.2 雙面金屬包覆波導的反射特性 78
4.3 超高階導模 83
4.4 本章小結 90
參考文獻 91
第5章 GH和IF位移效應 92
5.1 波束傳播法 92
5.2 古斯-漢欣位移效應 96
5.2.1 古斯-漢欣位移 96
5.2.2 古斯-漢欣位移的物理解釋 97
5.2.3 超高階導模的古斯-漢欣位移增強 99
5.2.4 古斯-漢欣位移和光斑形變 101
5.2.5 正負古斯-漢欣位移 104
5.3 IF位移效應 109
5.3.1 光自旋霍爾效應 109
5.3.2 基于超高階導模的IF位移增強 111
5.4 GH位移和IF位移的統一理論 116
5.4.1 一般光束位置的描述 117
5.4.2 入射光與反射光的描述 119
5.4.3 GH位移和它的量子化 121
5.4.4 IF位移和它的量子化 122
5.5 因果律佯謬 123
5.5.1 光波導中的困惑 123
5.5.2 蓋爾斯-特納爾斯干涉儀中的因果律佯謬 125
5.5.3 因果律佯謬的解釋 126
5.6 本章小結 129
參考文獻 129
第6章 基于超高階導模的振蕩波傳感器 132
6.1 高靈敏光學傳感器 132
6.1.1 表面等離子體共振傳感器 132
6.1.2 干涉儀傳感器 134
6.1.3 環型諧振腔傳感器 135
6.1.4 光纖傳感器 137
6.2 超高階導模傳感 138
6.2.1 傳感原理 138
6.2.2 靈敏度分析 140
6.2.3 探測深度 144
6.3 具體應用實例 146
6.3.1 位移傳感 146
6.3.2 角度傳感 149
6.3.3 波長傳感 150
6.3.4 濃度傳感 153
6.4 本章小結 158
參考文獻 158
第7章 渦旋光束 161
7.1 光場的角動量 161
7.1.1 角動量的定義 161
7.1.2 自旋和軌道角動量的劃分 162
7.2 渦旋光束的模式特性 164
7.2.1 近軸光線傳輸方程 164
7.2.2 Hermite-Gauss模式 167
7.2.3 Laguerre-Gauss模式 169
7.2.4 Bessel光束 171
7.3 渦旋光束的角動量 173
7.4 離軸渦旋點傳輸的動力學模型 178
7.5 離軸渦旋點傳輸的實驗研究 186
7.6 渦旋光束的雙面金屬包覆波導散射實驗 190
7.6.1 實驗及現象 190
7.6.2 基于幾何光學的簡單模型 193
7.7 渦旋光束的古斯-漢欣位移效應 198
7.8 本章小結 200
參考文獻 200
第8章 超高階導模的其他應用 202
8.1 超高階導模用于產生慢光 202
8.1.1 超高階導模實現慢光原理 203
8.1.2 慢光的實驗研究 205
8.2 超高階導模在光操控領域的應用 211
8.2.1 超高階導模作用于磁流體 211
8.2.2 超高階導模組裝二氧化硅微球 220
8.3 超高階導模用于拉曼效應的增強 225
8.4 超高階導模用于低閾值染料激光的激發 232
8.5 本章小結 235
參考文獻 235
前言
第1章 金屬的光學特性 1
1.1 導體中的電磁波 1
1.2 Drude模型下的復介電系數 4
1.3 金和銀 8
1.4 金屬界面的折射和反射 13
1.5 單層金屬膜的透射和反射 17
1.6 金屬內負折射效應的探討 21
1.7 本章小結 23
參考文獻 24
第2章 轉移矩陣理論 25
2.1 散射矩陣和轉移矩陣 25
2.2 分析轉移矩陣 30
2.3 反射率、透射率和波函數 34
2.4 轉移矩陣求解光子禁帶 38
2.5 本章小結 44
參考文獻 44
第3章 平板波導結構 45
3.1 平板波導的模式 45
3.2 介質平板光波導 48
3.2.1 波導的模式 48
3.2.2 功率束縛比例因子 53
3.3 表面等離激元波導 55
3.3.1 單金屬/介質界面 58
3.3.2 MDM結構 63
3.3.3 DMD結構 65
3.4 本章小結 69
參考文獻 70
第4章 雙面金屬包覆波導 71
4.1 雙面金屬包覆波導的模式 71
4.2 雙面金屬包覆波導的反射特性 78
4.3 超高階導模 83
4.4 本章小結 90
參考文獻 91
第5章 GH和IF位移效應 92
5.1 波束傳播法 92
5.2 古斯-漢欣位移效應 96
5.2.1 古斯-漢欣位移 96
5.2.2 古斯-漢欣位移的物理解釋 97
5.2.3 超高階導模的古斯-漢欣位移增強 99
5.2.4 古斯-漢欣位移和光斑形變 101
5.2.5 正負古斯-漢欣位移 104
5.3 IF位移效應 109
5.3.1 光自旋霍爾效應 109
5.3.2 基于超高階導模的IF位移增強 111
5.4 GH位移和IF位移的統一理論 116
5.4.1 一般光束位置的描述 117
5.4.2 入射光與反射光的描述 119
5.4.3 GH位移和它的量子化 121
5.4.4 IF位移和它的量子化 122
5.5 因果律佯謬 123
5.5.1 光波導中的困惑 123
5.5.2 蓋爾斯-特納爾斯干涉儀中的因果律佯謬 125
5.5.3 因果律佯謬的解釋 126
5.6 本章小結 129
參考文獻 129
第6章 基于超高階導模的振蕩波傳感器 132
6.1 高靈敏光學傳感器 132
6.1.1 表面等離子體共振傳感器 132
6.1.2 干涉儀傳感器 134
6.1.3 環型諧振腔傳感器 135
6.1.4 光纖傳感器 137
6.2 超高階導模傳感 138
6.2.1 傳感原理 138
6.2.2 靈敏度分析 140
6.2.3 探測深度 144
6.3 具體應用實例 146
6.3.1 位移傳感 146
6.3.2 角度傳感 149
6.3.3 波長傳感 150
6.3.4 濃度傳感 153
6.4 本章小結 158
參考文獻 158
第7章 渦旋光束 161
7.1 光場的角動量 161
7.1.1 角動量的定義 161
7.1.2 自旋和軌道角動量的劃分 162
7.2 渦旋光束的模式特性 164
7.2.1 近軸光線傳輸方程 164
7.2.2 Hermite-Gauss模式 167
7.2.3 Laguerre-Gauss模式 169
7.2.4 Bessel光束 171
7.3 渦旋光束的角動量 173
7.4 離軸渦旋點傳輸的動力學模型 178
7.5 離軸渦旋點傳輸的實驗研究 186
7.6 渦旋光束的雙面金屬包覆波導散射實驗 190
7.6.1 實驗及現象 190
7.6.2 基于幾何光學的簡單模型 193
7.7 渦旋光束的古斯-漢欣位移效應 198
7.8 本章小結 200
參考文獻 200
第8章 超高階導模的其他應用 202
8.1 超高階導模用于產生慢光 202
8.1.1 超高階導模實現慢光原理 203
8.1.2 慢光的實驗研究 205
8.2 超高階導模在光操控領域的應用 211
8.2.1 超高階導模作用于磁流體 211
8.2.2 超高階導模組裝二氧化硅微球 220
8.3 超高階導模用于拉曼效應的增強 225
8.4 超高階導模用于低閾值染料激光的激發 232
8.5 本章小結 235
參考文獻 235
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超高階導模共振原理及應用 節選
第1章 金屬的光學特性 金屬具有非常高的電導率，使得電磁場在其內發生強烈的衰減效應，將電磁能轉變為熱能。正因如此，金屬在日常生活中給人們的印象是高反射的、不透明的；古時候的人們就懂得將金屬的表面打磨得非常光滑，作為反射鏡使用。隨著表面等離激元學(plasmonics)的迅速發展，金屬材料的光學特性，尤其是加工了微觀結構以后的光學特性受到越來越多的重視。雖然現代電子論認為金屬中存在的自由電子服從費米統計規律，但經典的Maxwell電磁理論足以在一般情況下詮釋金屬和電磁波之間的各種相互作用。通常在數學上只需要引進一個簡單的復介電系數，就可以像一般介質材料一樣處理金屬材料。這種數學形式上的簡單與所產生的光學特性的復雜形成非常鮮明的對比。 關于金屬的光學特性，在相關的光學、固體物理和表面等離激元學的書籍中都有詳細介紹，本章僅簡單介紹并總結與超高階導模密切相關的結論，而忽略主要的推導過程。本章的內容安排如下：首先介紹電磁波在吸收介質中的傳輸規律，接著給出Drude模型下復介電系數，并且對金和銀這兩種非常重要的貴金屬進行詳細的討論，*后分別探討金屬界面和單層金屬膜的光學特性。這里特別需要指出的是，金屬微納米粒子的光學特性(包括局域表面等離子體共振現象)并不在本書討論的范疇之內。 1.1 導體中的電磁波 金屬，尤其貴金屬(金和銀)的光學特性與光的頻率是密切相關的。在微波和紅外波段，金屬可以被看成完美導體，并用于微波波導的包覆層；在近紅外和可見光波段，電磁波可以部分進入金屬內部，從而導致更大的耗散；在紫外波段，金屬常常表現得更像一個介質。對于不同金屬來說，其光學特性取決于具體的電子能帶結構，在數學上可以用一個復介電系數來描述。而該參數與表示金屬導電特征的電導率之間存在密切的內在聯系。對金屬而言，上述兩個參數都應該是復數，即有和，這里的下標1和2分別表示實部和虛部。 宏觀尺度下Maxwell方程組的微分形式可以寫作 (1.1a) (1.1b) (1.1c) (1.1d) 其中，D為電位移矢量(electric displacement vector)；E為電場強度(electric field)；B為磁感應強度(magnetic field或magnetic flux density)；H為磁場強度(magnetizing field或auxiliary magnetic field)。一般的教材習慣上把介質中的電荷劃分為自由電荷和束縛電荷。如果單將這種劃分用到金屬上，就會顯得界限含糊，其原因在后面還會說明[1]。因此，我們將總電荷和總電流j劃分為內部和外加的，即。 對于線性、各向同性的時不變介質材料，式(1.1)中描述電磁場的四個宏觀物理量還由下列物質方程所聯系，即 (1.2) 式中，和分別是真空中的介電常數和磁導率；和分別是材料的相對介電系數和電導率。這里需要對式(1.2)做幾點說明，我們已經假設本書只討論無磁性介質，即有和。另外，從嚴格意義上說，當考慮隨時間變化的電磁場時，電極化強度P的變化相對于E的變化存在滯后效應[2]，因此式(1.2)只有在傅里葉頻域空間才嚴格成立，并且需要改寫為 (1.3) 電極化強度P與內部電荷之間存在如下關系： (1.4) 考慮到內部電荷的守恒定律，可以得到如下等式： (1.5) 將上面四個式子結合在一起，可以推導出介電系數與電導率之間的聯系： (1.6) 同樣的結論可以直接利用微觀尺度的Maxwell方程組的微分形式得到。與推導介質中的波動方程的過程類似，導體中的波動方程也可以從方程組中得到 (1.7) 上式的推導過程中，假設金屬內部的電荷密度始終為0，即？紤]到特定頻率的單色光，電場形如，可以將式(1.7)寫成一般波動方程的形式 (1.8) 其中復數形式的波矢由下式給出 (1.9) 式(1.9)與式(1.6)是相通的。仔細分析式(1.6)發現，它給出了導體的復介電系數與復電導率之間的內部關系，同時也反映了將導體中的電荷劃分為自由電荷與束縛電荷的不合理性。因為介電系數通常用來描述束縛電荷在外場驅動下形成電極化強度的過程，而電導率是用來描述自由電荷形成電流的過程，所以兩者之間不應該直接關聯。式(1.6)表明，在導體中束縛電荷與自由電荷的界限變得含糊，這一現象在光頻段范圍內表現得尤其明顯。 在經典電子論中，金屬的電導率取決于電子密度(注意不要將這個量和折射率符號混淆)、電子電量、電子質量和電子自由碰撞時間，其表達式為 (1.10) 公式(1.10)在1.2節討論Drude模型時也很重要。在量子力學中，電子質量和自由碰撞時間分別被有效質量和弛豫時間所代替[3]。 除了電導率之外，與復折射率之間也有密切關聯，其中又稱為消光系數(extinction coefficient)。利用關系式很容易得到 (1.11) 和相對的關系式 (1.12) 利用復折射率可以很方便地討論導體中的平面波的表達形式，將復波矢代入沿軸正向傳輸的平面波導表達式中，就可以得到 (1.13) 上式是一個波長為的平面波，并且在波的傳輸方向上存在衰減。根據Beer定律，其衰減系數可以通過下式計算： (1.14) 趨膚深度(skin depth)通常定義為能量密度減小到時波前進的距離，所以根據式(1.14)可以得到 (1.15) 金屬的趨膚深度一般是幾十納米的量級。上面的描述表明，進到金屬內部的光會在很短距離內被全部吸收；而通常光能的絕大部分在金屬的表面被反射了，只有極少的部分可以進入金屬內部。這是因為金屬的費米能級位于某個能帶內部，從而導致電子的能級是準連續的，即任何頻率的光子都可以將電子激發到更高的能級上，從而被吸收。一般情況下，我們看到的金屬都是不透明的，除非金屬膜的厚度小于趨膚深度。對于理想導體，其電導率，則會導致，以及。理想導體嚴格禁止電磁波進入其內部，入射的電磁波在理想導體的表面全部被反射[4]。 1.2 Drude模型下的復介電系數 1.1節已經說明，絕大部分金屬的光學特性(源于金屬內部的電子行為)都可以用一個頻率相關的復介電系數來描述。本節將簡單介紹Drude模型，該模型的核心思想是把金屬中的自由電子看作是在帶正電的原子核晶格結構的背景下做運動的自由電子氣體。在Drude模型中，有關晶格和電子間相互作用的細節并不需要特別考慮，因為這些因素都被包含在電子的有效光學質量中，從而得以簡化。對于大部分堿金屬來說，該模型的適用范圍一直延伸到紫外頻域；但是對貴金屬來說，能帶間的躍遷在可見光波段已經非常明顯，在這種情況下Drude模型需要進一步修正才能適用。電子氣中的自由電子在外電場作用下產生振蕩，而碰撞所產生的抑制效應可以用碰撞頻率來描述。與自由碰撞時間的關系為，其典型值是，對應于室溫下的。根據上面的描述，我們假設外加電場為，電子電量為，則金屬中自由電子的運動滿足下面的方程： (1.16) 求解上面的方程，所得到的電子相對平衡位置的位移矢量是一個復數，包含了驅動電場與電子響應之間的相對相位信息 (1.17) 考慮到極化強度，其中是自由電子密度。則利用式(1.17)和式(1.2)，可以得到金屬中自由電子氣體模型的介電系數 (1.18) 其中，又稱為等離子體頻率。式（1.18）就是Drude模型下的復介電系數公式。因為，它的實部和虛部可以分別寫作 (1.19) (1.20) 下面針對式(1.18)進行簡單的討論。如果，則有，此時的金屬不再表現金屬特性(對實際金屬，這個波段范圍的需要進行修正)，因此，我們僅討論的情況。對于高頻極限，有，此時可以忽略阻尼效應，將介電系數近似等效于 (1.21) 對于低頻極限，有，從而有，此時可以把介電系數看成是純虛數，有 (1.22) 在這個頻率范圍內，金屬主要表現為吸收特性，此時的衰減系數為 (1.23) 引入直流電導率的表達式，可以將吸收系數改寫為，根據公式(1.15)，可得此時的趨膚深度為 (1.24) 在中間的頻率范圍內，即，復折射率可以近似認為是虛數，從而導致金屬的反射率。此時的和都表現出復雜的特性。 式(1.21)又稱為自由電子氣體的Drude模型，和式(1.18)相比，其中的區別在于碰撞頻率趨近于零，即碰撞時間趨近于無窮。式(1.21)在一些漸近和極限情況下的值為 (1.25) 上述介電系數所描述的材料會表現出怎樣的電磁傳輸特性？首先，平面波形式的電磁波的傳輸不再是無色散的。它的波數必須滿足如下條件： (1.26) 上式給出了色散關系 (1.27) 該色散關系可以很簡單地通過把看作的函數來繪制，如圖1.1所示。除了式（1.27）給出的體等離子體色散關系以外，真空中的電磁波的色散關系表現為一條過原點的直線，通常稱為光線（light ray），而等離子體的色散關系為一條水平的直線。 圖1.1給出的色散關系曲線也被稱為體等離子體色散關系，它具有如下漸近形式： (1.28) 很明顯，體等離子體色散關系曲線融合了等離子體的色散關系和真空中的光線。一個比較簡單的物理解釋是，這種波既不是一個純粹的電磁波，也不是一個純粹的等離子體波。它的本質是等離子體波與電磁波(光波)之間發生了強烈的相互作用，從而導致了體等離子體激元(bulk plasmon-polariton)的產生。
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