可見電磁波在金屬_空氣界面?zhèn)鬏斕匦詫?shí)驗(yàn)研究

1、可見電磁波在金屬空氣界面?zhèn)鬏斠?guī)律實(shí)驗(yàn)研究目錄致謝中文摘要英文摘要一第一章前言研究背景重要的光學(xué)發(fā)現(xiàn)折射定律微粒、波動(dòng)還是量子對光的本質(zhì)的研究一一一在爭論中被不斷深化的認(rèn)識一第二章光折射研究的新進(jìn)展光的負(fù)折射現(xiàn)象及其研究本研究工作的意義第三章實(shí)驗(yàn)和結(jié)果樣品生長與控制系統(tǒng)生長控制系統(tǒng)的改進(jìn)樣品測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)測量系統(tǒng)的改進(jìn)一樣品的測量與數(shù)據(jù)結(jié)果一一一第四章討論電磁波在介質(zhì)中的傳播模型中等離子共振條件一光在金屬基界面的傳輸路徑負(fù)磁導(dǎo)率效應(yīng)效應(yīng)表觀折射率與群速度之間的關(guān)系快慢光子第五章小結(jié)參考文獻(xiàn)攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表論文可見電磁波在金屬空氣界面?zhèn)鬏斠?guī)律實(shí)驗(yàn)研究致謝核對完論文的最后一個(gè)字，我意識到自己已經(jīng)完

2、成了學(xué)生時(shí)代的最后一項(xiàng)作業(yè)，這門功課概括了我過去年的全部工作和成果，回顧這段學(xué)習(xí)生活，頗多感慨。在這年里，我所在實(shí)驗(yàn)小組內(nèi)兼容并包的自由的學(xué)術(shù)氣氛，老師和同學(xué)們在學(xué)術(shù)上的努力拼搏，在生活上的相互幫助關(guān)心，都給了我莫大的幫助和鼓勵(lì)。大家對各自研究方向的交流，對學(xué)術(shù)問題的各抒己見、熱烈討論，在在激發(fā)著我的工作熱情。實(shí)驗(yàn)室中親密無間，樂于分享與合作的融洽關(guān)系也始終在為我的工作提供幫助。從做本科畢業(yè)論文開始，陳良堯教授就成為了我的導(dǎo)師，在我這些年的研究生學(xué)術(shù)研究中他始終給予了悉心的指導(dǎo)。陳老師投入的工作作風(fēng)、忘我的工作熱情、細(xì)致的實(shí)驗(yàn)技巧、高度敏捷的物理思維、對科研工作的精益求精都是我在科研工作中的榜

3、樣和楷模。陳老師不僅對于我在研究生階段的科研工作進(jìn)行了指導(dǎo)和幫助，更在指導(dǎo)中培養(yǎng)了我嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的工作作風(fēng)，使我從一個(gè)熱情而毛糙的學(xué)生逐步成為一個(gè)客觀冷靜的科研工作者。陳老師始終鼓勵(lì)我們，要在年輕的時(shí)候努力工作，向著最前沿、最頂峰的領(lǐng)域進(jìn)軍，要勇于挑戰(zhàn)已有的理論和規(guī)律。實(shí)驗(yàn)室王松有、鄭玉祥、李晶、張榮君幾位老師始終鼓勵(lì)和幫助我把工作做的更好更細(xì)致。他們深厚的理論功底、扎實(shí)的實(shí)驗(yàn)技能、豐富的科研經(jīng)驗(yàn)和閱歷都為我的工作提供了強(qiáng)有力的支援。老師們始終能在我的工作遇到障礙和瓶頸的時(shí)候，用他們的經(jīng)驗(yàn)對我進(jìn)行幫助。老師們總是能夠一針見血的指出我工作中的疏漏，在樣品架的設(shè)計(jì)方案、樣品生長的過程控制、儀器設(shè)備的故

4、障維修、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的理論分析等等各個(gè)環(huán)節(jié)都提出了他們的觀點(diǎn)，在我遇到無法克服的障礙提出行之有效的解決辦法。他們的幫助不僅使我完成了課題的研究，也在各個(gè)方面充實(shí)了我的論文內(nèi)容，使之具有豐富的內(nèi)容。我的工作中有大量的測量工作，以及對海量的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的工作，以我的一己之力要完成這些工作是難以想象的。感謝我的合作者，同樣是陳老師指導(dǎo)的研究生顧聞同學(xué)。他與我在測量和數(shù)據(jù)分析工作中的默契配合大大縮短了工可見電磁波在金屬空氣界面?zhèn)鬏斠?guī)律實(shí)驗(yàn)研究作所花費(fèi)的時(shí)間。我還要對我的家人表示深深的謝意，我的父母，我的先生，我先生的父母，他們在我攻讀研究生期間給予了我全心的理解和支持。尤其是在兒子出生之后，位長輩負(fù)擔(dān)

5、起了大部分日常事務(wù)，使我能夠?qū)Ｐ挠诠ぷ骱驼撐?。最后我還要感謝在我寫作論文期間出生的兒子。感謝他讓我平靜的度過整個(gè)孕期，沒有因?yàn)槿焉锓磻?yīng)而影響工作，感謝他是一個(gè)性格隨和而開朗的孩子，在出生后沒有吵鬧，沒有生病，一直成長的很健康，既沒有過多的分散我的精力，還在工作之余，為我的生活增添了無窮的樂趣和快樂。從本科到研究生，我在復(fù)旦度過了整整年的時(shí)光，這是我人生最美好的一段時(shí)光。復(fù)旦給予我的不僅是知識，它讓我接觸到的不僅是科學(xué)理論、學(xué)術(shù)前沿，它還將睿智、細(xì)致、從容的大家風(fēng)度展現(xiàn)在我的面前，讓我有機(jī)會近距離的感受客觀、冷靜、穩(wěn)健的學(xué)術(shù)作風(fēng)和生活態(tài)度，同時(shí)也始終為我保持熱情和活力。在復(fù)旦生活和學(xué)習(xí)給我?guī)淼?/p>

6、不僅是工作和學(xué)術(shù)，也讓我在運(yùn)動(dòng)和娛樂中結(jié)識了更多的朋友，使我的生活豐富多彩。再見，我的學(xué)生生涯，也許從此我再?zèng)]有機(jī)會進(jìn)入課堂聆聽大師前輩們的教誨，但是多年學(xué)生生涯帶給我的探索進(jìn)取的科研精神將始終伴隨我度過今后漫長的人生道路。不論我將從事何種職業(yè)，這種精神都將使我獲益終身。鄔云驊二零零八年五月五日可見電磁波在金屬空氣界面?zhèn)鬏斠?guī)律實(shí)驗(yàn)研究摘要定律揭示了光在穿越由不同介質(zhì)構(gòu)成的界面時(shí)的傳播和折射規(guī)律，這是現(xiàn)代物理光學(xué)和幾何光學(xué)的基礎(chǔ)，也是精密光學(xué)系統(tǒng)的特性受到限制的物理原因。改進(jìn)的途徑是設(shè)法尋找到負(fù)折射率材料，與正折射率材料匹配在一起，預(yù)期可形成完美光學(xué)透鏡。這雖然是多年前理論研究的預(yù)言，但在相當(dāng)長

7、時(shí)期內(nèi)，在自然界中未發(fā)現(xiàn)違背定律的天然負(fù)折射率材料存在。隨著新材料制備原理和技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，國際上首次在微波區(qū)發(fā)現(xiàn)了金屬基人工微結(jié)構(gòu)材料可產(chǎn)生負(fù)折射率效應(yīng)，導(dǎo)致了在廣泛領(lǐng)域內(nèi)對于負(fù)折射率材料結(jié)構(gòu)和制備的濃厚興趣，并引發(fā)了學(xué)術(shù)界對于光在金屬基結(jié)構(gòu)中傳播特性更深入的理論和實(shí)驗(yàn)研究的興趣和爭議。這觸及到對核心光學(xué)原理的深刻認(rèn)識和修改，以及所伴隨產(chǎn)生的一系列與傳統(tǒng)光學(xué)原理和規(guī)律尖銳沖突的問題，并延伸研究到很多方面，如負(fù)折射、人工材料、光子晶體、表面等離子體等，都成為近年來最熱門的前沿研究課題，大量理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)表在，和等國際核心期刊上，促使世界范圍內(nèi)的研究小組通過各種不同的實(shí)驗(yàn)方法和理論模擬，積極

8、探索這些感興趣的核心問題。在本論文工作中，圍繞上述核心科學(xué)問題，通過制備一系列入射角精確可控的貴金屬（和）基樣品，對于光在最簡單的天然貴金屬界面?zhèn)鞑r(shí)發(fā)生由負(fù)到正的折射率效應(yīng)進(jìn)行了定量實(shí)驗(yàn)測量，在定律的框架下，首次獲得了表觀折射率值與入射和折射角的定量關(guān)系，并對其機(jī)理進(jìn)行了深入的討論和分析，以可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，致力于澄清目前發(fā)生在理論和實(shí)驗(yàn)研究領(lǐng)域?qū)@一問題的分歧和爭議，并促進(jìn)這些新效應(yīng)在新型光電子材料和器件領(lǐng)域獲得應(yīng)用和推廣。在本論文工作中，首先圍繞以定律為框架的光學(xué)原理進(jìn)行了歷史的回顧，描述了這一重要定律的發(fā)現(xiàn)過程及其在現(xiàn)代光物理和光工程領(lǐng)域的奠基作用。雖然對于光在金屬界面?zhèn)鬏數(shù)睦碚撗芯糠矫?/p>

9、已有了前期研究和積累，但在實(shí)驗(yàn)研究方面仍很困難。因此，在本論文中對測量光在金屬界面的實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果可見電磁波在金屬空氣界面?zhèn)鬏斠?guī)律實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行了詳細(xì)的描述。在研究中選擇了在可見光區(qū)的折射率值小于并接近于零的貴金屬和以及參考等樣品，制備成具有棱鏡形狀的楔型樣品。采用了速率可控的射頻濺射方法，在真空條件下線性和精確控制掩膜板和樣品位移，制備了一系列具有不同楔型角的金屬樣品，并采用橢圓偏振光譜等方法對樣品的光學(xué)常數(shù)等物理量進(jìn)行了測量。針對金屬樣品的高吸收和淺透入深度的特性，采用了可見光區(qū)三個(gè)不同波長（、）的單色激光，以不同的系列入射角入射到金屬大氣界面。激光束被遠(yuǎn)距離投影到屏幕上，克服大氣擾動(dòng)、環(huán)境

10、振動(dòng)等對測量的影響和困難，實(shí)現(xiàn)了對于發(fā)生在純金屬界面的微小折射偏移量的準(zhǔn)確測量。在論文研究中，圍繞所獲得的在不同波長下光在金屬邊界的折射角發(fā)生從負(fù)到正的變化規(guī)律，以詳實(shí)的分析和依據(jù)對于有可能導(dǎo)致奇異光折射現(xiàn)象的各種爭議性機(jī)理進(jìn)行了細(xì)致探索和討論，包括表面和體等離子共振效應(yīng)、負(fù)磁導(dǎo)率效應(yīng)、效應(yīng)、光在金屬基界面的傳播路徑、由折射率色散特性所決定的快慢光子行為等效應(yīng)。通過對貴金屬和的光學(xué)常數(shù)的色散特性分析和數(shù)值計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在可見光的光譜區(qū)，表征光子能量傳播方向的群速度和群折射率的值會隨光子能量的增大而發(fā)生從負(fù)到正的改變，這與本論文研究的實(shí)驗(yàn)測量和觀察結(jié)果相符合。因此，本研究工作中所獲得的結(jié)果將增加人們

11、對經(jīng)典物理光學(xué)中最基本定律的認(rèn)識和理解，無論是在理論還是應(yīng)用上都有著現(xiàn)實(shí)的意義，能促使人們更好地認(rèn)識基于定律的電磁波在物質(zhì)中的傳播規(guī)律。本論文獲得的結(jié)果及其后續(xù)工作將啟發(fā)和激勵(lì)人們對于自然界中的這些有趣的現(xiàn)象和問題進(jìn)行更深入的研究和理解，并將為新型微納結(jié)構(gòu)的光電子功能材料和器件的研制和應(yīng)用建立基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞吸收介質(zhì)、負(fù)折射率、光電磁波、定律分類號：，鋤，啪療，（），（），可見電磁波在金屬空氣界面?zhèn)鬏斠?guī)律實(shí)驗(yàn)研究，、），、，：，可見電磁波在金屬空氣界面?zhèn)鬏斠?guī)律實(shí)驗(yàn)研究第一章前言研究背景信息技術(shù)是支撐世紀(jì)科技和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要支柱領(lǐng)域，具有周期非周期微納結(jié)構(gòu)的光電子材料和器件是實(shí)現(xiàn)高效率光信息傳輸、獲

12、取、顯示和存儲等復(fù)雜信息技術(shù)和功能的基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)的體功能光電子器件相比，納光電子器件結(jié)構(gòu)的器件具有許多優(yōu)點(diǎn)，如可依據(jù)科學(xué)原理對器件結(jié)構(gòu)、組份和性能進(jìn)行復(fù)雜人工剪裁和設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)低維納米尺度的工藝制備，器件結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定可靠，易于集成化，具有很高的性能成本比等，世界各主要工業(yè)化國家都給予高度重視和支持，這不僅與國家的國防和安全有關(guān)，而且是在激烈的全球經(jīng)濟(jì)競爭中獲得優(yōu)勢的關(guān)鍵。在能源領(lǐng)域，全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和能源短缺迫使人類做出巨大努力尋找各種新能源。目前，在清潔能源的太陽能利用的研究方面，大多將注意力集中在光電轉(zhuǎn)換方面，由于不同半導(dǎo)體材料各不相同的能帶結(jié)構(gòu)，難以與太陽光寬闊的光譜區(qū)完全匹配，其光

13、吸收區(qū)主要對應(yīng)于較狹窄的太陽光譜區(qū)，導(dǎo)致大部分太陽能無法被充分利用，或由于使用間接帶隙結(jié)構(gòu)材料，不易從根本上提高其光電轉(zhuǎn)換效率，并且材料和制備成本較昂貴。與此相比，在一的主要太陽光譜區(qū)，充分利用電磁波在納米結(jié)構(gòu)的金屬介質(zhì)混合材料及其界面的傳播特性，在全波段調(diào)控其結(jié)構(gòu)、相位和振幅的匹配，可實(shí)現(xiàn)超過的光子俘獲和光熱轉(zhuǎn)換效率。所構(gòu)成器件的結(jié)構(gòu)和工藝相對較為簡單，具有高可靠性，長壽命，抗老化，材料和工藝成本較低，易于推廣等顯著優(yōu)點(diǎn)，屬于全球關(guān)注的以信息技術(shù)為基礎(chǔ)的綠色能源研究領(lǐng)域。傳統(tǒng)的帶通光頻電磁波過濾是通過嚴(yán)格控制微納光子結(jié)構(gòu)的周期月乍周期和材料的介電常數(shù)等參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。對于涉及到國家安全和在空間環(huán)

14、境中應(yīng)用的光電傳感器來說，不僅要求器件具有很高的性能，同時(shí)要求器件能有效抵御各種干擾和攻擊。利用低維周期月乍周期混合納米結(jié)構(gòu)，能夠產(chǎn)生超窄帶光頻電磁波的獲取和過濾特性，可在很寬頻率的電磁波輻射區(qū)形成很窄的光學(xué)窗口，既保證器件可見電磁波在金屬空氣界面?zhèn)饔芤?guī)律實(shí)驗(yàn)研究正常工作，同時(shí)又能有效保護(hù)其免受強(qiáng)光的干擾和攻擊。理論和實(shí)驗(yàn)證明，可用低維周期非周期結(jié)構(gòu)來控制光子的運(yùn)動(dòng)，并由此產(chǎn)生了用于制備隱身和完美透鏡等器件的諸如負(fù)折射率效應(yīng)及其結(jié)構(gòu)的許多新概念、新材料及新器件，引起全球?qū)W術(shù)界的極大重視。在嘗試用光子取代電子來獲取、傳輸、處理和存儲信息的努力中，近年來控制光脈沖在深低溫和任意彎曲波導(dǎo)中傳播和群速

15、度的增加減慢方面取得了進(jìn)展。然而，與對電子的控制水平相比，目前對光子的研究和控制水平仍很不夠，特別是對光脈沖的儲存和處理方面的研究還剛剛開始。要達(dá)到儲存光子脈沖，首先必須要實(shí)現(xiàn)室溫下光脈沖的減速、加速和停止，并對其機(jī)理有深刻認(rèn)識和理解。在微納結(jié)構(gòu)中，光學(xué)常數(shù)的奇異色散特性是影響光的能流傳輸方向和路徑的關(guān)鍵。電子和光子是兩種物理性質(zhì)完全不同的粒子÷依據(jù)電子的性質(zhì)，經(jīng)過一個(gè)多世紀(jì)的研究努力，才使眾多電子功能器件在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用。光子無質(zhì)量，其路徑、速度和遲豫等狀態(tài)僅受邊界和介電常數(shù)的色散等條件約束，被有限地控制和改變。在電子信息載體的通信系統(tǒng)中，構(gòu)成信息交換和路由功能的有多

16、種關(guān)鍵邏輯門電路，但在光通信領(lǐng)域仍無完全相對應(yīng)的光子功能器件。對于具有復(fù)折射率系數(shù)的吸收介質(zhì)，光在周期非周期納米結(jié)構(gòu)的多媒質(zhì)邊界處的傳播行為更為復(fù)雜，研究極具挑戰(zhàn)和顛覆性。然而，人們認(rèn)為，世紀(jì)光學(xué)大變革的時(shí)代已現(xiàn)曙光，納米結(jié)構(gòu)的反常正負(fù)折射率效應(yīng)和新結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，使光的傳播和成像理論別開生面，為新型光子器件的研究打下了基礎(chǔ)。這些都構(gòu)成了本研究工作的重要應(yīng)用和基礎(chǔ)背景。重要的光學(xué)發(fā)現(xiàn)折射定律【，光學(xué)是現(xiàn)代科學(xué)的重要分支學(xué)科，已滲透到人類社會生活的各個(gè)領(lǐng)域。對于自然界中奇異光學(xué)現(xiàn)象的探索和研究已具有悠久的歷史，可追溯到多年前。約在公元前多年（先秦時(shí)代），中國的墨經(jīng)記錄了世界上最早的光學(xué)知識，記有條有

17、關(guān)光學(xué)現(xiàn)象的原始描述，包括陰影的定義和生成，光的直線傳播和針孔成像，并以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈淖钟懻摿嗽谄矫骁R、凹球面鏡和凸球面鏡中物和可見電磁波在金屬空氣界面?zhèn)饔芤?guī)律實(shí)驗(yàn)研究像的關(guān)系。古希臘數(shù)學(xué)家歐幾里德（，約公元前）的光學(xué)是早期幾何光學(xué)著作之一。在光學(xué)這本書里，他總結(jié)了有關(guān)光現(xiàn)象的知識和猜測，對光的透視問題作了研究，敘述了光的入射角等于反射角的規(guī)律，認(rèn)為眼睛感知的視覺信息是由眼睛發(fā)出的光線到達(dá)觀察物體的結(jié)果。那時(shí)人們已經(jīng)知道，光線在眼睛和被觀察物體之間是沿直線傳輸，當(dāng)光線從一個(gè)平面反射時(shí)，入射角和反射角相等。在那時(shí)期，光的折射現(xiàn)象雖已為人們所知，但仍停留在經(jīng)驗(yàn)的觀察和討論方面。古希臘科學(xué)典籍中最早關(guān)于光

18、折射的實(shí)驗(yàn)記載是公元二世紀(jì)托勒密（，公元）所做的光的折射實(shí)驗(yàn)。他在一個(gè)圓盤上裝兩把能繞盤心旋轉(zhuǎn)的尺子，將圓盤的一半浸入水中。讓光線由空氣射入水中，就得到它在水中的折射光線，轉(zhuǎn)動(dòng)兩把尺子，使它們分別與入射光線和折射光線重合，然后取出圓盤，按尺子的位置刻下入射角和折射角。他所測出的一系列數(shù)據(jù)是非常精確的。托勒密大致假定了光的入射角和折射角之間，有一直接的比例關(guān)系。他最后的一本重要著作是光學(xué)，共有卷，其中講述眼與光之間關(guān)系的第一卷已遺失；第二卷說明物體能被眼睛看見的條件和雙眼效應(yīng)；第三、四兩卷專門研究反射光學(xué)（）原理，這是此書中非常有價(jià)值的部分。托勒密在書中共確認(rèn)了三條定理【】（）鏡中物體的像位于人

19、眼與鏡面反射點(diǎn)連線的延長線上某一點(diǎn)位置；（）鏡中物體的像位于物體與鏡面垂直線的延長線上某一點(diǎn)位置；（）人觀察物體的視線的入射角與反射角相等。由上述三條定律，鏡中成像的位置和狀態(tài)可被唯一確定，并能通過實(shí)驗(yàn)給予描述和驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，托勒密又對這三條平面鏡反射光學(xué)定理作了進(jìn)一步發(fā)展，討論了許多非平面鏡的反射規(guī)律，其中包括球凸鏡、球凹鏡等，甚至還有一些他所謂的“組合鏡（如柱面鏡之類）等。托勒密在光學(xué)第卷中討論了光的折射現(xiàn)象和原理。他首先描述了水使容器底部的物體看起來像被抬高了的實(shí)驗(yàn)（見圖），說明光線從空氣進(jìn)入水這一不同媒質(zhì)時(shí)，在兩媒質(zhì)邊界處發(fā)生了光的折射。然后他詳細(xì)說明了測量折射規(guī)律的定量實(shí)驗(yàn)方法，

20、如圖所示。這是在一個(gè)銅盤上通過互相垂直的兩條直徑形成個(gè)象限區(qū)，銅盤圓心位置有，桿箭頭，可如鐘面時(shí)針那樣轉(zhuǎn)動(dòng)。將銅盤置于水缸中，盤面與水平面垂直，并使水正好浸沒盤的一半。于是，假設(shè)在暴露于空氣中銅盤的上半邊緣處，如圖中的處，作一標(biāo)記，人眼從處觀察銅盤圓心，再轉(zhuǎn)動(dòng)小桿箭頭，使之看起來與圓心在同一直線上，則小桿箭頭此時(shí)與銅盤邊緣相交于點(diǎn)，只要不斷改變點(diǎn)的位置，則點(diǎn)的位置也必隨之改變，于是可以記下一系列入射角，與折射角芎之值，獲得兩個(gè)角之間的對應(yīng)變化關(guān)系。人鼴物體圖托勒密描述的光線折射的實(shí)驗(yàn)。，、。聲一二二；圖托勒密描述的測量光線折射規(guī)律的定量實(shí)驗(yàn)方法可見電磁波在金屬空氣界面?zhèn)鬏斠?guī)律實(shí)驗(yàn)研究根據(jù)這個(gè)實(shí)

21、驗(yàn)，托勒密繪出了光線以各種角度從光疏介質(zhì)（空氣）入射到光密介質(zhì)（水）的折射表。在光學(xué)第五卷中，托勒密還研究了光線在空氣與玻璃交界面上的折射，他發(fā)現(xiàn)玻璃對空氣的折射率比水對空的折射率大，這是正確的。在這一卷中托勒密又論及與天文觀測有關(guān)的折射，以及折射量與介質(zhì)密度的關(guān)系和折射成像等問題。托勒密以自己的直觀經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了光的折射規(guī)律，但未能歸納出精確的折射定律。年，伽利略（）制成了望遠(yuǎn)鏡，并利用它進(jìn)行了很多科學(xué)觀測。這些新的發(fā)現(xiàn)激勵(lì)開普勒（）對光的折射現(xiàn)象進(jìn)行了更深入的研究，并于年出版了折射光學(xué)一書。開普勒的研究表明，對于兩種給定的介質(zhì)，小于度的入射角與相應(yīng)的折射角成近似固定的比例，對于玻璃或水晶，這個(gè)

22、比約為：。他還表明，這個(gè)比對于大的入射角不成立。開普勒試圖通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)精確的折射定律，他的方法雖然是正確的，卻沒有得到其中有規(guī)律性的聯(lián)系。但是，開普勒的研究為后來斯涅耳（）得出折射定律起到了一定的啟示作用。斯涅耳（，）最早發(fā)現(xiàn)了光的折射定律。約在年，斯涅耳通過實(shí)驗(yàn)確立了開普勒想發(fā)現(xiàn)而未獲得成功的折射定律。當(dāng)時(shí)斯涅耳注意到了水中的物體看起來像漂浮的現(xiàn)象，并試圖揭開其中的奧秘，由此便引出了他對折射現(xiàn)象的研究。在總結(jié)托勒密、開普勒等前人的研究成果后，斯涅耳做了進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，斯涅耳應(yīng)用開普勒的方法發(fā)現(xiàn)：從空氣到水里并落在容器垂直面上的一條光線在水中所走的長度，同該光線如按未偏離其原始方向而本

23、來會通過的路程成一定的比例。他指出：折射光線位于入射光線和法線所決定的平面內(nèi)，入射光線和折射光線分別位于法線兩側(cè)，入射角的正弦和折射角的正弦的比值對于一定的兩種介質(zhì)來說是一個(gè)常數(shù)。這個(gè)常數(shù)是第二種介質(zhì)對第一種介質(zhì)的相對折射率，即：吻，式中和如分別為入射角和折射角，和分別為入射光和折射光所在介質(zhì)的折射率，是和的比值。斯涅耳所揭示的這一折射定律（也稱斯涅耳定律）是從實(shí)驗(yàn)中得到的，未做任何理論推導(dǎo)，雖很正確，卻未正式發(fā)表，只是后來惠更斯（）和伊薩克沃斯兩人在查閱他遺留的手稿時(shí)，才看到這方面的記載。首次把折射定律表述為今天的這種形式的是笛卡兒（），他未做任可見電磁波在金屬空氣界面?zhèn)鬏斠?guī)律實(shí)驗(yàn)研究何實(shí)驗(yàn)

24、，僅從一些假設(shè)出發(fā)推導(dǎo)出了這個(gè)定律。笛卡兒在他的屈光學(xué)（）一書中論述了這個(gè)問題。微粒、波動(dòng)還是量子對光的本質(zhì)的研究】年，牛頓（，）進(jìn)行太陽光的實(shí)驗(yàn)，他把太陽光分解成由不同顏色代表的簡單組成部分，這些顏色按一定順序排列，形成了光的分布光譜。它使人們第一次接觸到光的客觀和定量的特征。牛頓還發(fā)現(xiàn)了把曲率半徑很大的凸透鏡放在光學(xué)玻璃平板上，當(dāng)用白光照射時(shí)，透鏡與玻璃平板接觸處會出現(xiàn)一組彩色的同心環(huán)狀條紋；當(dāng)用單色光照射時(shí)，則出現(xiàn)一組明暗相間的同心環(huán)條紋。后來，這種現(xiàn)象被稱為牛頓環(huán)，借助這種現(xiàn)象可以用第一暗環(huán)的空氣隙厚度來定量表征相應(yīng)的單色光。牛頓同時(shí)根據(jù)光的直線傳播性，提出光的微粒說，認(rèn)為光是一種微粒

25、流，微粒從光源飛出，在均勻介質(zhì)內(nèi)遵守力學(xué)定律作等速直線運(yùn)動(dòng)，他用這種觀點(diǎn)對折射和反射現(xiàn)象作了解釋?；莞梗?，）是光的波動(dòng)說的創(chuàng)立者，他提出光與聲一樣，是以球形波面?zhèn)鞑サ模⒅赋龉庹駝?dòng)所達(dá)到的每一點(diǎn)都可以視為次波的振動(dòng)中心，次波的包絡(luò)面為傳播波的波前。在整個(gè)世紀(jì)，光的微粒流理論和光的波動(dòng)理論都被粗略提了出來。世紀(jì)初，波動(dòng)光學(xué)初步形成，托馬斯楊（，）圓滿地解釋了薄膜顏色和雙縫干涉現(xiàn)象。菲涅爾（，）于年以楊氏干涉原理補(bǔ)充了惠更斯原理，形成了今天的惠更斯菲涅爾原理，可以圓滿解釋光的干涉和衍射現(xiàn)象，也能解釋光的直線傳播。年，法拉第（，）發(fā)現(xiàn)了光的振動(dòng)面在磁場中發(fā)生旋轉(zhuǎn)；年，韋伯（，），與魯?shù)婪蚩茽杽谑?/p>

26、）發(fā)現(xiàn)光在真空中的速度等于電流強(qiáng)度的電磁單位與靜電單位的比值。他們的發(fā)現(xiàn)表明光學(xué)現(xiàn)象與磁學(xué)、電學(xué)現(xiàn)象間有一定的內(nèi)在關(guān)系。年前后，麥克斯韋（，）指出，電場和磁場的改變不能局限于空間的某一部分，而是以等于電流的電磁單位與靜電單位的比值的速度傳播著，光就是這樣一種電磁現(xiàn)象。年，赫茲的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了可見電磁波在金屬空氣界面?zhèn)鬏斠?guī)律實(shí)驗(yàn)研究這個(gè)結(jié)論。然而，這樣的理論還不能說明能產(chǎn)生象光這樣高的頻率的電振子的性質(zhì)，也不能解釋光的色散現(xiàn)象。直到年洛倫茲（，）創(chuàng)立電子論，才解釋了發(fā)光和物質(zhì)吸收光的現(xiàn)象，也解釋了光在物質(zhì)中傳播的各種特點(diǎn)，包括對色散現(xiàn)象的解釋。在洛倫茲的理論中，以太乃是廣袤無限的不動(dòng)的介質(zhì)，其唯一特

27、點(diǎn)是，在這種介質(zhì)中光振動(dòng)具有一定的傳播速度。對于像熾熱的黑體的輻射中能量按波長分布這樣重要的問題，洛倫茲理論還不能給出令人滿意的解釋。并且，如果認(rèn)為洛倫茲關(guān)于以太的概念是正確的話，則可將不動(dòng)的以太選作參照系，使人們能區(qū)別出絕對運(yùn)動(dòng)。而事實(shí)上，年邁克耳遜用干涉儀測“以太風(fēng)”，得到否定的結(jié)果，這表明到了在洛倫茲電子論時(shí)期，人們對光的本性的認(rèn)識仍然有不少片面性。年，普朗克從物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)理論中借用不連續(xù)性的概念，提出了輻射的量子論。他認(rèn)為各種頻率的電磁波，包括光，只能以各自確定分量的能量從振子射出，這種能量微粒稱為量子，光的量子稱為光子。量子論不僅很自然地解釋了灼熱體輻射能量按波長分布的規(guī)律，而且以

28、全新的方式提出了光與物質(zhì)相互作用的整個(gè)問題。量子論不但給光學(xué)，也給整個(gè)物理學(xué)提供了新的概念，所以通常把它的誕生視為近代物理學(xué)的起點(diǎn)。年，愛因斯坦運(yùn)用量子論解釋了光電效應(yīng)。他給光子作了十分明確的表示，特別指出光與物質(zhì)相互作用時(shí)，光也是以光子為最小單位進(jìn)行的。年月，德國物理學(xué)年鑒發(fā)表了愛因斯坦的關(guān)于運(yùn)動(dòng)介質(zhì)的電動(dòng)力學(xué)一文，第一次提出了狹義相對論基本原理。文中指出，從伽利略和牛頓時(shí)代以來占統(tǒng)治地位的古典物理學(xué)，其應(yīng)用范圍只限于速度遠(yuǎn)小于光速的情況，而他的新理論可解釋與很大運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)的過程的特征，根本放棄了以太的概念，圓滿地解釋了運(yùn)動(dòng)物體的光學(xué)現(xiàn)象。這樣，在世紀(jì)初，一方面從光的干涉、衍射、偏振以及運(yùn)

29、動(dòng)物體的光學(xué)現(xiàn)象確證了光是電磁波；而另一方面又從熱輻射、光電效應(yīng)、光壓以及光的化學(xué)作用等無可懷疑地證明了光的量子性微粒性?？梢婋姶挪ㄔ诮饘倏諝饨缑?zhèn)鬏斠?guī)律實(shí)驗(yàn)研究在爭論中被不斷深化的認(rèn)識從光學(xué)發(fā)展的歷程可以看到，在光學(xué)的發(fā)展過程中產(chǎn)生過多次爭論。如對光的速度產(chǎn)生過爭執(zhí)：光速是有限的，還是無限大？開普勒和笛卡爾都認(rèn)為光的傳播不需要時(shí)間，“光在一瞬間從發(fā)光體到達(dá)人們的眼睛，光速為無限大。但伽俐略認(rèn)為光速雖然傳播得很快，卻是可以測定的，并在年進(jìn)行了最早的測量光速的實(shí)驗(yàn)。光速的測定在光學(xué)的研究過程中有著非常特殊而重要的意義，它不僅推動(dòng)了光學(xué)的發(fā)展，也打破了光速無限的傳統(tǒng)觀念，在物理學(xué)研究的發(fā)展里程中，

30、它不僅為粒子說和波動(dòng)說的爭論提供了判斷的依據(jù)，而且最終推動(dòng)了愛因斯坦相對理論的發(fā)展。而光學(xué)史中最著名的莫過于關(guān)于光的本性的爭論，即世紀(jì)的微粒說和波動(dòng)說之爭。年，牛頓在他的論文關(guān)于光和色的新理論中談到了他所作的光的色散實(shí)驗(yàn)，并用微粒說闡述了光的顏色理論。年月日，以胡克為主席，由胡克和波義耳等組成的英國皇家學(xué)會評議委員會對牛頓提交的論文關(guān)于光和色的新理論基本上持以否定的態(tài)度。第一次波動(dòng)說與粒子說的爭論由“光的顏色”這根導(dǎo)火索引燃了。從此胡克與牛頓之間展開了漫長而激烈的爭論。年月日，牛頓在說明在我的幾篇論文中所談到的光的性質(zhì)的一個(gè)假說一文中，再次反駁了胡克的波動(dòng)說，重申了他的微粒說?；莞棺鳛椴▌?dòng)說

31、的支持者繼承并完善了胡克的觀點(diǎn)。年，惠更斯向巴黎科學(xué)院提交了他的光學(xué)論著光論。在光論一書中，他系統(tǒng)的闡述了光的波動(dòng)理論。同年，惠更斯發(fā)表了反對微粒說的演說。年，光論出版發(fā)行。在惠更斯積極的宣傳波動(dòng)學(xué)說的同時(shí)，牛頓的微粒學(xué)說也逐步的建立起來了。牛頓修改和完善了他的光學(xué)著作光學(xué)?；诟黝悓?shí)驗(yàn)，在光學(xué)一書中，牛頓一方面提出了兩點(diǎn)反駁惠更斯的理由：第一，光如果是一種波，它應(yīng)該同聲波一樣可以繞過障礙物、不會產(chǎn)生影子；第二，冰洲石的雙折射現(xiàn)象說明光在不同的邊上有不同的性質(zhì)，波動(dòng)說無法解釋其原因。另一方面，牛頓把他的物質(zhì)微粒觀推廣到了整個(gè)自然界，并與他的質(zhì)點(diǎn)力學(xué)體系融為一體，為微粒說找到可見電磁波在金屬空氣

32、界面?zhèn)鬏斠?guī)律實(shí)驗(yàn)研究了堅(jiān)強(qiáng)的后盾。為不與胡克再次發(fā)生爭執(zhí)，胡克去世后的第二年（年）光學(xué)才正式公開發(fā)行。但此時(shí)的惠更斯與胡克已相繼去世，波動(dòng)說一方無人應(yīng)戰(zhàn)。而牛頓由于其對科學(xué)界所做出的巨大的貢獻(xiàn)，成為了當(dāng)時(shí)無人能及的一代科學(xué)巨匠。隨著牛頓聲望的提高，人們對他的理論頂禮膜拜，重復(fù)他的實(shí)驗(yàn)，并堅(jiān)信與他相同的結(jié)論。整個(gè)十八世紀(jì)，幾乎無人向微粒說挑戰(zhàn)，也很少再有人對光的本性作進(jìn)一步的研究。一直到世紀(jì)初，揚(yáng)作了雙縫實(shí)驗(yàn)，提出了光的波長、頻率等概念，很好地解釋了光的干涉和衍射現(xiàn)象。接著菲涅耳和阿拉果研究了光的偏振和偏振光的干涉現(xiàn)象，確定了光是橫波。世紀(jì)中葉，由于電磁場理論的建立，揭示了光現(xiàn)象和電磁現(xiàn)象的內(nèi)在

33、聯(lián)系，確認(rèn)光波是一種電磁波。電磁理論的進(jìn)一步發(fā)展，使電磁場的概念代替了機(jī)械以太的概念。光的電磁理論宣告了光的波動(dòng)說的勝利。年，愛因斯坦提出光量子概念，世紀(jì)年代建立的量子力學(xué)，進(jìn)一步確立了包括光量子在內(nèi)的一切微觀粒子都具有波一粒二象性理論，徹底破除了把光的本質(zhì)僅僅看成是微粒或僅僅看成是波動(dòng)的片面觀點(diǎn)。光既具有微粒性又具有波動(dòng)性，二者處于辯證統(tǒng)一之中。這場長達(dá)個(gè)世紀(jì)的爭論，是光學(xué)發(fā)展的產(chǎn)物，同時(shí)又成為科學(xué)新發(fā)展的動(dòng)力?，F(xiàn)在，隨著世紀(jì)信息時(shí)代的到來，在光電子學(xué)領(lǐng)域又出現(xiàn)了新的關(guān)于介質(zhì)負(fù)折射率的研究熱潮和學(xué)術(shù)爭論。各國頂尖的科學(xué)家與實(shí)驗(yàn)室紛紛進(jìn)行研究，提出各種模型、理論與猜想，相關(guān)課題的論文更是大量出

34、現(xiàn)在、等國際核心學(xué)術(shù)期刊中。這場新世紀(jì)具有顛覆性的學(xué)術(shù)爭論必將推動(dòng)光電子學(xué)向新的高度進(jìn)一步發(fā)展，甚至將為光電子學(xué)新理論的產(chǎn)生莫定基礎(chǔ)?？梢婋姶挪ㄔ诮饘倏諝饨缑?zhèn)鬏斠?guī)律實(shí)驗(yàn)研究第二章光折射研究的新進(jìn)展光的負(fù)折射現(xiàn)象及其研究幾何光學(xué)遵循三條基本定律：（）光線的直線傳播定律，既光在均勻介質(zhì)中沿直線方向傳播；（）光的獨(dú)立傳播定律，既兩束光在傳播途中相遇時(shí)互不干擾，仍按各自的途徑繼續(xù)傳播，而當(dāng)兩束光會聚于同一點(diǎn)時(shí)，在該點(diǎn)上的光強(qiáng)是簡單相加；（）反射定律和折射定律，即光在傳播途中遇到由兩種不同介質(zhì)構(gòu)成的光滑分界面時(shí)，一部分反射，另一部分折射，反射光線和折射光線的傳播方向分別由反射和折射定律決定。折射率是介

35、質(zhì)的一種基本光學(xué)性質(zhì)，當(dāng)一束射線以任意角度入射到兩種物質(zhì)界面上時(shí)，折射光線的方向由這兩種物質(zhì)的折射率決定。定律，給出了取決于兩種物質(zhì)折射率的入射角與折射角之間的定量關(guān)系。隨著定律的建立，光學(xué)作為一門物理學(xué)科被建立起來。此后許多的新理論和新定律都建立在定律的基礎(chǔ)上。在這里，折射率惕與嘞都是正實(shí)數(shù)。眾所周知自然界中存在的已知物質(zhì)都具有正的折射率，電磁波在這些材料（，右手材料）中的傳播遵守右手定律，如圖（）所示。年俄國科學(xué)家提出：如果一個(gè)物質(zhì)的介電常數(shù)（）與磁導(dǎo)率（）都是負(fù)的，這時(shí)介質(zhì)的折射率小于零，則光行經(jīng)其中時(shí)會產(chǎn)生逆效應(yīng)，逆效應(yīng)與逆輻射。這種物質(zhì)稱作左手材料（，），如圖（）所示。可見電磁波在金

36、屬空氣界面?zhèn)鬏斠?guī)律實(shí)驗(yàn)研究圖光的右手（）和左手（）傳播規(guī)律的演示圖，其中軸為電場方向，軸為磁場方向，軸為光是能量傳遞方向電磁波在介質(zhì)中傳播的行為是由介電常數(shù)和磁導(dǎo)率所決定的。在各向同性均勻介質(zhì)中，單色波的波向量后和頻率之間的關(guān)系可以表示成七：冀萬（）這里，以為折射率，并且擰（）當(dāng)?shù)?、都為正?shí)數(shù)，即介質(zhì)中沒有能量損失的情況下，和同時(shí)改變符號，對式（）和（）無任何影響。即是根據(jù)這個(gè)結(jié)果作出了以下的推論：當(dāng)和同時(shí)改變符號時(shí)介質(zhì)的性質(zhì)不會發(fā)生變化；和同時(shí)為負(fù)值可能違背了某些基本的物理原理因而始終沒有發(fā)現(xiàn)且的物質(zhì)；和同時(shí)為負(fù)值的介質(zhì)應(yīng)該具有某些物理性質(zhì)。在目前已知的自然界材料中，至今仍沒有發(fā)現(xiàn)天然反常折

37、射現(xiàn)象。但近年來，對于周期性人工材料的負(fù)折射率現(xiàn)象等性質(zhì)的研究取得了進(jìn)展，相繼有關(guān)于可見電磁波在金屬空氣界面?zhèn)鬏斠?guī)律實(shí)驗(yàn)研究周期性人工材料體現(xiàn)出反常電磁波折射的報(bào)導(dǎo)出現(xiàn)。和光子晶體等新的材料成為眾多研究小組的研究對象。發(fā)現(xiàn)半徑合適的二維導(dǎo)電金屬絲陣列和中性等離子體具有相同的電磁效應(yīng)，即在某一頻率內(nèi)介電常數(shù)為負(fù)（）；等人也觀察到金屬結(jié)構(gòu)有等離子體相似的性質(zhì)。之后，等人進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，帶縫隙的環(huán)狀（，）多個(gè)周期陣列并相互耦合，在一定的頻率范圍內(nèi)呈現(xiàn)負(fù)的磁導(dǎo)性質(zhì)，如圖所示。單個(gè)結(jié)構(gòu)是一對帶縫隙的大小環(huán)結(jié)構(gòu)，可以在某一相同的特定頻率范圍內(nèi)分別有負(fù)的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。之后，國際上的小組【】提出這種結(jié)構(gòu)的人工

38、材料有可能符合電磁波的左手傳播特性，并合成了這種材料，其元件尺寸都小于電磁波的厘米級波長。在中，帶縫隙的環(huán)狀諧振器產(chǎn)生負(fù)磁導(dǎo)率，導(dǎo)電金屬絲陣列產(chǎn)生負(fù)介電常數(shù)。如圖所示，單個(gè)是一對帶縫隙的大小環(huán)，在其平行軸方向加入一個(gè)隨時(shí)間變化的磁場，激發(fā)一個(gè)沿環(huán)的電流。此電流進(jìn)而產(chǎn)生又一個(gè)磁場，增強(qiáng)或減弱原磁場。內(nèi)環(huán)的縫隙和外環(huán)的縫隙在相反方向上，其目的是在環(huán)間產(chǎn)生大電容，大幅度降低振蕩頻率，增強(qiáng)電場。原來沒有磁性的金屬環(huán)隨著入射電磁波的振蕩，產(chǎn)生了有效磁導(dǎo)率，并通過改變金屬環(huán)寬度、內(nèi)外環(huán)間距、縫隙大小、導(dǎo)電金屬絲寬度等結(jié)構(gòu)參數(shù)來改變磁導(dǎo)率的值。目目目自口。一一！墨皇墼查全墨絲塑塑蘭垡塑塑絲莖翌璺墨一圖結(jié)構(gòu)原

39、理圖【】圖陣列結(jié)構(gòu)圖可見電磁波在金屬空氣界面?zhèn)鬏斠?guī)律實(shí)驗(yàn)研究圖二維金屬線陣列結(jié)構(gòu)圖【】另外還有一種結(jié)構(gòu)獨(dú)特的人工材料，通過利用二維金屬線陣列來產(chǎn)生負(fù)介電常數(shù)，如圖所示。由于金屬本身在光學(xué)頻段稍低于等離子體共振頻率處的介電常數(shù)為負(fù)值，為了能夠在微波波段得到負(fù)介電常數(shù)，就需要降低等離子共振頻率的值。由金屬線構(gòu)成的周期性陣列能夠降低電子密度，提高有效質(zhì)量，從而將共振頻率降低到微波波段范圍。同時(shí)利用周期性開環(huán)諧振腔陣列來產(chǎn)生負(fù)的磁導(dǎo)率，二者組合起來形成一個(gè)相當(dāng)于棱鏡形狀的結(jié)構(gòu)。目前已經(jīng)知道的是，微波在結(jié)構(gòu)中是異常傳播的，但并不是所有波段的電磁波都有這個(gè)現(xiàn)象。小組在理論上計(jì)算了微波在中異常傳播的頻率范圍。金屬絲二維陣列的有效介電常數(shù)為頻率（）的函數(shù)：以小每（）式中是等電離子頻率，與金屬絲的二維幾何形狀有關(guān)有效磁導(dǎo)率也是頻率的函數(shù)：協(xié)（）一石再（）可見電磁波在金屬空氣界面?zhèn)鬏斠?guī)律實(shí)驗(yàn)研究式中和是與幾何尺寸等參數(shù)有關(guān)的常數(shù)，與電磁波頻率無關(guān)。當(dāng)時(shí)，諺和諺同時(shí)為負(fù)，折射率也是一個(gè)負(fù)實(shí)數(shù)。因此，和決定的特性，折射率為負(fù)的頻率范圍也取決于該材料的幾何參數(shù)。把本身的幾何參數(shù)模擬成幾組確定的數(shù)值，計(jì)算出在相應(yīng)的頻率范圍（大致在微波波段，以下），這種人工周期材料將呈現(xiàn)出負(fù)折射率性質(zhì)。在微