光學效應與介質微結構的對稱性.pdf

1、近來，多鐵材料由于其重要的理論價值和廣泛的應用前景而備受關注。多鐵材料指鐵磁性、鐵電性或鐵彈性同時共存的材料，是同時具有時間反演和空間反轉對稱性破缺的材料，因此具有一些特異的光學性質。例如，可以產生與光的極化態(tài)無關的光學效應：取向雙折射或二向色性，或具有非互易的傳播特性，即所謂光磁電效應。對于一般的材料，從外界同時施加相互垂直的電場（E）和磁場（B），也可以導致時空對稱性同時破缺的環(huán)境。因此，相互垂直的電場和磁場（E×B）與光的波矢方向

2、平行和反平行時的折射率或吸收系數將有差別。對于多鐵材料，由于本身具有內稟的對稱破缺特性，從而無須施加外界電場或磁場即可實現光的非互易的取向雙折射。對這種與光極化狀態(tài)無關的光學效應的研究，不僅在理論上具有重要的學術價值，應用上也有著廣闊的前景，已成為凝聚態(tài)物理和材料科學界的前沿和熱點課題。 本文重點研究了與介質對稱性相關的磁光效應以及與極化無關的非互易光磁電效應。主要集中在： 1．可控的磁光克爾效應 我們針對實現磁

3、光效應可調這一目標，利用液晶的物理性質會隨外電場、磁場或溫度而發(fā)生非常顯著變化的特點，首次將液晶材料引入磁光子晶體中，應用快速Berreman矩陣方法計算了系統(tǒng)的磁光克爾效應。這是一種新的調節(jié)磁光效應的方案。液晶作為各向異性材料，處理其光學行為是比較復雜的，需要計算液晶指向矢的空間分布情況，有很大的計算量。為了簡便起見，我們在第二章第一部分首先視液晶為近似各向同性材料，利用其非常光折射率隨著外電壓改變而變化的特性進行計算。為了獲得更精確

4、的結果，我們進一步在連續(xù)彈性體理論的基礎之上，根據自由能極小的原理，采用牛頓法計算了液晶指向矢在不同位置時的分布情況，并進而相對準確地提供了磁光克爾效應的值。我們的工作不僅對磁光子晶體的磁光效應的可控性做出了新的理論預測，更為進一步開展有關的實驗工作提供了良好的基礎。此外，在第二章第二部分我們應用磁性材料的特性隨著外磁場以及溫度變化的特點，提出實現磁場控制磁納米線復合物負折射率的方案。 2．運動介質的光磁電效應 實現和增

5、大光磁電效應是一個重要的研究課題。我們提出一個各向同性運動介質實現光磁電效應的新方案。運動介質的本構關系與反鐵磁材料的本構關系具有很大的相似之處，而反鐵磁Cr2O3的旋磁雙折射計算過程相對復雜，它將磁感應強度折算到電極化矢量中，給出了反鐵磁材料有效的電極化矢量進行計算。我們發(fā)展了一種將電磁波方程和本構方程直接耦合的方法來計算磁電介質的光學效應，這樣的算法簡單而直接，適用性強。我們的計算結果表明：介質的運動所產生的各向異性將直接導致兩個相

6、反方向的波矢量大小的差異，而這正是光磁電效應的實質。這是由于物質的運動帶來各向異性的電磁環(huán)境，從而電位移矢量和磁感應強度之間出現交叉耦合項，我們可以稱之為“贗磁電耦合”項，正是它的存在直接導致了運動介質的光磁電效應。用介質的運動來實現光磁電效應的方案，創(chuàng)新性在于它與介質的運動速度和內稟折射率直接關聯(lián)，可通過它們來調節(jié)光磁電效應的強弱，而且它擴大了選用材料的范圍。我們的工作也提供了增強光磁電效應的可能性。 3．磁光子晶體極化無關取

7、向各向異性光效應 對于周期單元由磁性材料和兩個各向異性的介電材料組成的磁光子晶體，它包含了時間和空間對稱性的破缺。由于光磁電效應極化無關的特性，我們將必須討論非極化的電磁波與物質之間的相互作用，這就要求我們運用與以往討論極化相關光學效應不同的理論處理方法。一般來講，若需要討論自然光和物質之間的相互作用，我們必須把瓊斯（Jones）矩陣轉化為穆勒（Muller）矩陣。穆勒矩陣多見于處理天體以及混沌問題，我們首次采用這樣的矩陣計算了