有限光束在近场增强结构中的传播特性及应用研究

论文摘要

在科学技术飞速发展的21世纪,人们对自然的认识已延伸到微观的领域。随着微细加工技术和集成光学的不断进步,光学元器件不断小型化已逐步接近和达到微纳尺度,对该领域新奇现象的研究是21世纪高新技术发展所急需的先导和支撑。论文第一部分为绪论,首先介绍了光学微结构中有限光束传播特性研究的发展过程和现状。重点叙述了Goos-H（?）nchen（GH）效应及其共振增强,并指出在光学近场增强结构中存在增强的GH位移,这一现象在近场光学扫描成像和原子光学消逝波反射镜中具有一定影响。其次介绍了研究GH位移的主要方法——稳态位相法的基本原理,最后阐述了本文研究的主要问题和取得的主要研究成果。论文第二部分研究了二维高斯光束的一般表示方法。研究表明,在传播方向沿坐标轴的“特殊”高斯光束表示基础上,采用坐标系旋转的方法来获得传播方向倾斜于结构坐标轴的高斯光束表达式时,不能直接将坐标系旋转变换公式应用于高斯光束的特性参量。传播轴方程是坐标系变换中的限制条件。本部分内容为讨论二维有限光束倾斜入射到平面微结构的传播特性奠定了基础。论文第三部分研究了光学薄介质板微结构中有限光束的非几何光学效应。首先,研究了有限光束穿过薄介质板时透射光束存在侧向位移、角偏转、束腰宽度修正以及焦点的纵向移动四种非几何光学效应。指出考虑光束束腰宽度的影响后,薄介质板对称结构中反射光束和透射光束的行为不一致,并给出了保持透射和反射波束不变形入射角及介质板的厚度所需要满足的必要条件。报道了利用微波技术首次在实验上观测到穿过薄介质板时波束的反向位移。本部分内容为研究有限光束在一般光学微结构中的传播特性提供了依据。论文第四部分研究了近场光强增强结构中消逝场GH位移的共振增强效应。首先介绍了利用稳态相位法研究镀有薄膜的玻璃棱镜结构中,全反射光束的GH位移共振增强现象。研究发现当入射角和薄膜的厚度满足一定条件时,在光疏介质中的透射消逝场具有和入射高斯光束相同的波形。类似于全反射光束的GH位移,透射消逝场也存在位移。更为重要的是,透射共振发生时,该位移量能增强到波长的几十倍至上百倍。数值模拟分析表明,稳态相位法也适用于消逝场的情况,透射波束的位移量恰好是反射光束GH位移量的一半。最后,介绍了采用具有耦合输出的双棱镜受抑全内反射结构对增强的GH位移进行探测的原理。论文第五部分讨论了消逝场中存在增强的GH位移在近场光学扫描成像和原子光学消逝波原子镜中的可能影响。由于高度的空间局域性,消逝场在近场光学和原子光学领域中起着至关重要的作用。增强的消逝场（近场）具有很大的的应用价值。光子扫描隧道显微镜（PSTM）是一种具有代表性的近场光学显微镜,其工作原理是用探针在消逝场区域收集样品信号,通过探针网格状逐点扫描成像。有资料表明,由全反射所形成的消逝场本身的特性,如入射角,偏振性,入射源与样品间的相对位置对PSTM近场像影响很大。我们认为透射消逝场的CH位移为解释PSTM成像中遇到的问题提供了线索。在原子光学中增强的消逝场形成典型的原子反射镜结构,消逝场GH位移可能对原子反射的轨迹产生影响。论文最后部分是总结与展望,首先概述了本文的主要内容,再结合当今研究热点指出进一步研究方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• §1.1 课题背景与研究方法
• §1.1.1 国内外研究现状综述
• §1.1.2 稳态位相法与GH位移
• §1.1.3 波束不变形的条件
• §1.2 本论文研究的主要问题与取得的研究成果
• §1.3 论文的结构安排
• 第二章 二维高斯光束的一般表示
• §2.1 引言
• §2.2 沿坐标轴传播的高斯光束
• §2.3 倾斜于坐标轴传播的高斯光束
• §2.4 束腰位置不在原点的倾斜高斯光束
• §2.5 小结
• 第三章 薄介质板结构中光束传播的非几何光学效应
• §3.1 引言
• §3.2 透射光束的非几何光学效应
• §3.2.1 一阶效应:GHL位移与角偏转
• §3.2.2 二阶效应:束腰修正与焦位移
• §3.2.3 GHL位移与角偏转的二阶修正
• §3.3 反射光束的非几何光学效应
• §3.4 反常侧向位移的机制与波束不变形的条件
• §3.5 透射光束GHL位移与角偏转的微波测量
• §3.6 小结
• 第四章 棱镜-薄膜全内反射结构中GH位移的共振增强
• §4.1 引言
• §4.2 反射光束GH位移的共振增强
• §4.2.1 棱镜-电介质膜全内反射结构
• §4.2.2 反射光束GH位移及其共振增强
• §4.3 消逝场的位移与场强的共振增强
• §4.3.1 数值模拟方法结果
• §4.3.2 稳态位相方法结果
• §4.3.3 消逝场共振增强与讨论
• §4.4 增强近场的测量方案
• §4.5 小结
• 第五章 近场增强结构中的反常位移在近场光学中影响
• §5.1 引言
• §5.2 近场探测与近场成像的基本原理
• §5.2.1 近场探测的基本原理
• §5.2.2 光子扫描隧道显微镜成像
• §5.3 消逝场GH位移对近场扫描成像的影响
• §5.4 消逝场GH位移在消逝波反射镜中的可能影响
• §5.5 小结
• 第六章 总结与展望
• §6.1 总结
• §6.2 存在的问题及展望
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间公开发表的论文
• 作者在攻读博士学位期间所参加的科研项目
• 致谢