特異性光學材料的拓撲特性與表面光學態(tài)傳播特性研究.pdf

1、近年來超材料的發(fā)展受到世界矚目，研究者期望利用它極高的可控性來駕馭光的傳播。到目前為止，超材料已經(jīng)被用來實現(xiàn)負折射率材料，雙曲型材料，雙各向異性材料，手性材料等光學材料，擁有自然界中不易獲得或不可能獲得的光學性質(zhì)。近些年的研究熱點集中于將超材料用于偏振片，波帶片，光學隱身，超分辨率成像，光學全吸收，光學全息，光學計算等應用型研究，但對于其拓撲光學的特性缺乏系統(tǒng)認識。由于超材料往往是具有強色散的光學材料，更廣義的說是目前領(lǐng)域內(nèi)缺乏對強色散

2、光學材料拓撲特性的研究工作。本文主要立足于拓撲光學的發(fā)展趨勢，研究了強色散材料拓撲特性，并進行充足的基礎(chǔ)物理和模擬實驗研究。這一部分主要實現(xiàn)的工作有：
　　第一、首次在理論上預測手性雙曲超材料的拓撲性質(zhì)及其拓撲表護面態(tài)，利用光學獨特的自旋軌道耦合特性，預測了手性雙曲超材料等頻率面的陳數(shù)。首次理論計算出手性雙曲材料上拓撲保護表面態(tài)的空間色散曲線，發(fā)現(xiàn)其具有與光學Floquet拓撲絕緣體相似的傳播特性。在模擬中觀測了其拓撲保護特性。<

3、br>　　第二、首次在微波波段設計實現(xiàn)具有復雜光學響應的低對稱型手性雙曲超材料。我們創(chuàng)造性的通過薄膜近似法和能待求解法相結(jié)合的方法，為今后微波波段超材料甚至高頻的可見光波段和紅外波段超材料的設計方法提出了合理的技術(shù)路線。通過設計微波波段的手性雙曲超材料，我們成功驗證了其理論研究結(jié)果。
　　第三、提出手性雙曲超材料的哈密頓量的理論，從基礎(chǔ)物理層面更加深入的了解超材料的拓撲特性。我們從超材料的色散模型出發(fā)成功首次推導出手性超材料的哈密

4、頓量理論，并利用其研究手性雙曲超材料的拓撲特性，找到了豐富的物理內(nèi)涵，為更好地理解超材料中的拓撲特性打開開端，為今后利用強色散材料設計拓撲光學器件打下基礎(chǔ)，其中哈密頓量理論也可能用于手性材料的有限時域微分(FDTD)模擬。
　　第四、首次在自然界中便存在的磁化等離子體中找到光學外爾粒子，通過構(gòu)建磁化等離子體的哈密頓量，證明了外爾粒子是這個光學系統(tǒng)中唯一的貝里曲率來源。提出了通過測量反射光的方法測量外爾粒子在動量空間中的位置，并預測

5、了其反射光的動量空間半平面手性的反射光偏振特性。這個性質(zhì)可以被稱作磁化等離子體中外爾粒子的標識，可以通過其手性偏振旋轉(zhuǎn)在動量空間中的位置判斷外爾粒子的手性。其中我們發(fā)展了磁化等離子體的k-p定理，外爾粒子的特性可以完美的由此定理推導出的有效哈密頓量來解釋。最后，我們找到連接手性不同的外爾粒子的拓撲表面態(tài)，并提出了其測量方法。這個工作改變了領(lǐng)域內(nèi)只在復雜的周期結(jié)構(gòu)中尋找光學外爾粒子的現(xiàn)狀，為光學外爾粒子提供了另一種研究平臺。
　　另

6、外，根據(jù)目前學界對于光子的自旋軌道耦合的研究現(xiàn)狀，完成了以下工作：
　　第一、通過Maxwell-Garnett有效介質(zhì)理論設計完成通信波段內(nèi)的雙軸各向異性雙曲材料，實現(xiàn)它上面可根據(jù)覆蓋材料的折射率調(diào)節(jié)的表面波，其具有匯聚，發(fā)散，和無色散三種波前的傳播形式。研究了其表面波的偏振態(tài)，根據(jù)其橢圓偏振特性研究了其自旋軌道耦合現(xiàn)象。這部分的工作有望利用于集成光通信期間與傳感等應用。
　　第二、設計完成雙各向異性型超材料，發(fā)現(xiàn)了其具有