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多层介质中的光自旋霍尔效应研究

作　者: 马娟
导　师: 文双春
学　校: 湖南大学
专　业: 信息与通信工程
关键词: 光自旋霍尔效应横移角移折射率梯度圆偏振
分类号: O43
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

光自旋霍尔效应是近几年发现的一种新的光学效应，为操控光子提供了新的途径，在纳米光学、量子信息和半导体物体方面具有重要的应用前景，同时又为测量弱拓扑现象提供了独特而方便的手段，因此引起了广泛关注。这种效应表现为在光子自旋-轨道相互作用下，自旋角动量相反的光子沿垂直于折射率梯度的横向相互分离，造成光束的自旋分裂。本论文以光波理论为基础，以三层介质为例，揭示了多层介质结构中光自旋霍尔效应所导致的横移和角移现象及其影响因素。主要工作如下：第一，回顾了光波在介质中的传播特性，利用麦克斯韦方程组和电磁场边界条件进行全面分析，介绍了光波在分层介质上的反射和折射，分别讨论了单色平面光波在单层介质和多层介质薄膜中的反射和透射规律。从平面角谱理论出发，建立了高斯光束在棱镜-空气-棱镜三层介质结构中的传输模型，为研究多层介质结构中的光自旋霍尔效应的横移和角移奠定基础。第二，基于高斯光束在三层介质分界面上的传输模型，分析了光自旋霍尔效应的横移及其与空气介质的厚度、折射率梯度以及光的偏振态和入射角之间的定性关系。结果表明：横移量在一定范围内随空气介质厚度的增加而增大，表明光束通过多层介质能明显增强光自旋霍尔效应；在反射光场，圆偏振光比椭圆偏振光的重心横移大，横移量随偏振参量的增大而增大，而折射光场正好相反；对于某一特定的圆偏振光束，改变两棱镜间的折射率梯度或光的入射角，可以调控横移的大小和方向。这些结果为利用多层介质结构调控和增强光自旋霍尔效应提供了理论依据。第三，分析了反射光场和折射光场中的光束角移与光的偏振态、折射率梯度、反射系数和折射系数之间的关系。结果表明：当入射光为线偏振光或椭圆偏振光时，在反射光场和折射光场中会出现横向角移，角移的方向取决于反射系数和折射系数；当入射光为圆偏振光时，横向角移消失；折射率梯度对横向角移的调控程度取决于入射角的变化。此外，根据能量守恒定律发现，光束在传输过程中的横向角移和重心横移分别遵循总线动量守恒定律和总角动量守恒定律。这些结果对进一步修正光的反射定律、斯涅尔定律以及如何调控和增强光自旋霍尔效应有一定的参考价值。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
插图索引  10-11
第1章绪论  11-21
  1.1 引言  11-12
  1.2 光自旋霍尔效应概述  12-16
  1.3 多层介质中的光自旋霍尔效应  16-18
    1.3.1 多层纳米结构中的光自旋霍尔效应  16-17
    1.3.2 光子隧穿结构中的光自旋霍尔效应  17-18
  1.4 光自旋霍尔效应的应用前景  18-19
  1.5 论文框架  19-21
第2章光波在介质中的传播特性  21-28
  2.1 引言  21
  2.2 光波在分层介质上的反射和折射  21-25
    2.2.1 单层膜的特征矩阵  21-23
    2.2.2 多层膜的特征矩阵  23-24
    2.2.3 反射系数和折射系数  24-25
  2.3 平面角谱理论  25-26
  2.4 多层介质中高斯光束的传输模型  26-27
  2.5 小结  27-28
第3章多层介质中光自旋霍尔效应导致的光束横移  28-42
  3.1 引言  28
  3.2 光自旋霍尔效应中的光束横移  28-31
  3.3 反射场中光自旋霍尔效应导致的光束横移  31-35
  3.4 折射场中光自旋霍尔效应导致的光束横移  35-40
  3.5 小结  40-42
第4章多层介质中光自旋霍尔效应导致的光束角移  42-52
  4.1 引言  42
  4.2 光自旋霍尔效应中的光束角移  42-43
  4.3 反射场中光自旋霍尔效应导致的光束角移  43-46
  4.4 折射场中光自旋霍尔效应导致的光束角移  46-49
  4.5 光自旋霍尔效应遵循的守恒定律  49-51
  4.6 小结  51-52
总结与展望  52-55
参考文献  55-60
附录 A 攻读硕士学位期间发表的学术论文  60-61
附录 B 攻读硕士学位期间参与的科研项目  61-62
致谢  62

多层介质中的光自旋霍尔效应研究

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