光波频段负折射光子晶体反常古斯汉欣位移效应实验研究

Material of negative refraction has a series of counterintuitive physical effect. By utilizing Silicon material, the applicant designed two-dimensional photonic crystal prism which has negative refraction for 10.6 micron laser. We first observed the inversed Doppler effect in optical frequency, proving that the artifical negative refractive material has this strange physical properties during the period of the Doctor pursuing.The corresponding papers have been published in NATURE PHOTONICS in 2011,5(4). Based on the relevant research results, we expect to further study the anomalous Goos-Hanchen shift effect in photonic crystal of negative refraction.Through theoretically designing and preparing corresponding photonic crystal structure, we further theoretically design and implement the experimental scheme. By analyzing and studying the experimental data and combining the numerical simulation with the existing theoretical research results, we try to probe into the internal physical mechanisms of the abnormal physical effects in photonic crystal of negative refraction and expect to provide theoretical basis for the design and potential applications of photonic crystal with negative refraction.

负折射材料具有一系列违反常理的物理效应存在。申请者读博期间已用硅材料设计了对于10.6微米激光等效折射率为负数的二维光子晶体棱镜，在国际上首次观测到了光频段的反常多普勒现象，证明了人造负折射材料确实具有这种奇异的物理性质，相应论文已于2011年4月发表在Nature Photonics(Vol.5,No.4)杂志上。在此相关研究的基础上，拟进一步研究负折射光子晶体的反常古斯-汉欣位移效应。通过理论设计并制备相应的光子晶体结构，然后理论上设计相应的反常古斯-汉欣效应实验方案并进行实验探索。通过分析、研究实验数据，结合数值模拟仿真以及现有的理论研究成果，探讨负折射光子晶体中发生反常物理效应的内在物理机制，以期为负折射光子晶体的设计及其潜在应用领域的研究工作提供理论基础。

负折射材料具有一系列违反常理的物理效应存在。本课题研究负折射光子晶体的反常古斯-汉欣位移效应。通过理论设计并制备相应的光子晶体结构，理论上设计相应的反常古斯-汉欣效应实验方案并进行实验探索。通过分析、研究实验数据，结合数值模拟仿真以及现有的理论研究成果，探讨负折射光子晶体中发生反常物理效应的内在物理机制，以期为负折射光子晶体的设计及其潜在应用领域的研究工作提供理论基础。利用所设计的负折射光子晶体平板结构，从理论和实验上分别测量了针对不同的入射角度，所设计的光子晶体平板对TE和TM偏振波的古斯-汉欣位移，对光子晶体平板的负折射测量中，TE 偏振光有较明显的负折射现象，而TM偏振光没有，这证实了光子晶体平板的负折射特性；对古斯-汉欣位移的测量中，不同角度的实验测量的DGHS（DGHS是以TM反射光作为参考，计算出测量的TE反射光和TM反射光的光束中心位置差）值均小于计算的-GTM，意味着对应的TE反射光的GH位移均为负。光在具有负等效折射率的光子晶体中传输时发生的反常多普勒现象已在项目负责人读博期间的实验组实验证实，但相关论文缺乏对光在运动的光子晶体中传输时的相位变化的分析解释。 用FDTD方法仿真了光在负折射光子晶体中的传输，用FFT和iFFT分析了在负折射光子晶体中传输的Bloch波，并提取出相应的主波分量，通过对各主波分量的相位演变分析，找出了其中起到负折射作用，也即相速度反向的分量；其次用经过自行改进的动态FDTD方法，对光子晶体的反常多普勒效应进行了仿真计算。该研究不仅揭示了二维光子晶体中反常多普勒效应的机理，也为研究电磁波在静止和运动的介质中传输的行为提供了新的方法。