光波在金属基界面的传播特性

光波在金属基界面的传播特性陈良尧（复旦）1621年，发现的Snell定律揭示了光在穿越由不同介质构成的界面时的传播和折射规律。在以后的二百多年间，激发了许多理论模型和解释，直至1873年，才在麦克斯韦方程的基础上，获得理论与实验较好地吻合解释，这就是光在不同透明介质中传播时具有不同速度v，并取决于折射率值n，v=c/n。然而问题远未结束，当把Snell定律扩展到强吸收金属基材料中时，未被理解的问题是如此之多，至今仍无任何一种原理和模型能够圆满地解释金属基人工微结构的异常光折射现象，如负折射现象【1-5】，因为结构中包含了太多的次级效应，包括光在穿越微结构界面时发生的微观折射、反射、透射、绕射、衍射、干涉、吸收等现象。为了获得折射角随入射角的变化规律，必须输入微观界面处真实的折射角等参数，这是仍在黑暗中摸索的难题【5】。如已知金属在某波长的负折射率值，仍无任何理论和实验数据可给出金属/介质边界真实折射角的答案，而光在自然界中必须沿实路径而非复路径传播。目前，国际上若干研究小组仍致力于理解发生在金属基/介质边界的光的传播行为，这是问题的关键，也是至今未被解决的世界难题。2008年1月Shalaev在NaturePhotonics的综述论文中明确指出，至今尚未在光频区域发现天然负折射率材料存在【6】；4月，Henri等采用Au-Si3N4-Ag的复杂波导结构，在Science上报道了光频区间接测量到天然材料的负折射率实验结果【7】；2008年7月Martin等在NatureMaterials报道了光频区纯金属发生负折射现象的数值模拟结果，并建议从根本上放弃负折射率的概念，而采用降速因子的名称【8】。这是一场赛跑。为什么这么多科学家都对天然折射率的前沿研究如此感兴趣？这不仅是新型金属基光电子器件研究的基础，而且将触及对自然界中更深层次问题的理解。光子在固体中传播速度的实验测量并非是很直接的。如果认为光在物质中的传播速度受折射率控制，其真实的传播速度究竟是等于c，小于c，还是大于c，甚至为负？如存在减速和加速因子，那么光在天然材料中被微观带电例子减速或加速的机制究竟是什么？这些都需要可靠的理论和实验研究，包括天然金属基材料折射率光学特性的实验测量，才能够为一系列这样的问题找到答案。[1]ShelbyRA,SmithDR,SchultzS.Experimentalverificationofanegativeindexofrefraction.Science,2001,292:77[2]CubukcuE,et,al.,Electromagneticwave:negativerefractionbyphotoniccrystal.Nature,2003,412:604[3]ValanjuPM,WalserRM,ValanjuAP.Waverefractioninnegativeindexmedia:alwayspositiveandveryinhomogeneous,PhysRevLett,2002,88:187401[4]GarciaN,Nieto-VesperinasM.Isthereanexperimentalverificationofanegativeindexofrefractionyet?Opt.Letter,2002,27:885[5]PendryJB,Positivelynegative.Nature,2003,423:22[6]ShalaevVM.Opticalnegative-indexmetamaterials.NaturePhotonics,2007,1:41[7]HenriJL,JenniferADHarryAA.Science,2007,316:431[8]MartinW,GunnarD,StefanL.NatureMaterials,2007,6:476介观尺度上光的约束与传输20世纪，基于经典电磁理论发展起来的光传输技术和基于量子理论发展起来的激光技术，结合物质与光、电相互作用效应的光电子技术，在光电信息传输和处理中起到了巨大的推动作用，加深了人们对光的认识，并全面改变了人类的生活质量，极大地推动了社会进步。进入20世纪90年代后期，传统光电子学的技术已限制了信息领域的飞速拓展，其中作为光子集成核心的光波导所利用的全内反射光传输原理和聚焦光束衍射极限尺度的限制已成为信息科学技术进一步小型化和大容量的壁垒。因此，更小尺度下，更快速的信息处理新原理和新方法及其微型化光子集成技术已成为新一代信息科学的研究重点。同时，随着人类微纳小尺度加工技术和研究方法的发展，光科学也出现了由基于衍射极限尺度以上的传统研究向突破衍射极限的更小尺度的介观光学方向发展。在各种微纳结构中，光的约束和传输所带来的一系列新的物理现象和规律不断被发现。介观光学相对于传统光学所表现的出的小尺度效应基本理论问题及其新特性的广泛应用前景已吸引越来越多的科学家重视和相继开展研究。2005年2月，英国物理学会（IOP）《光学杂志》（journalofopticsA）专门出版了有关介观光学研究的专刊【1】。在序言中明确提出了“纳米结构+光=新光学”（nanostructures+light=newoptics）的崭新理念。介观尺度下利用倏逝波和表面等离子激元波实现的导波新原理被认为是新一代集成电子器件最可能的信息载体。介观光学新原理、新技术和新应用的突破中，需要考虑的关键问题之一是介观尺度上光的约束与传输。由于光子是波色子，在没有其它外加电场的情况下，大量的光子可以被同时约束在一个很小的空间范围内传输而不互相影响，只要光强没有超过媒介的光学非线性阈值或量子电动力学的真空非线性阈值。这为光在小尺度上的约束和传输提供了很大的发展空间。同时，某些非线性效应本身也可以用来加强介观尺度上光的约束和传输能力。对光进行约束传输，最简单的例子是用一面镜子改变光的传播方向，限制光进入镜子背面的半空间。是用两个平行放置的靠的很近的理想反射镜，就可以将镜面之间的光，限制在两面镜子之间的微小空间内，形成一个光学微腔或镜面波导【2】。随着两个镜面之间距离的减小，对光的约束就增强。但是，当两面镜子之间的距离小于光波长的一半时，这个微腔将无法支持光场的存在，或者说，光就无法输入这个微腔。如果这时将理想镜面换成介质材料，如玻璃，那么中间的空隙即使小于半波长，也仍然能够支持光的约束和传输【3】；同时，也可以将介质波导，如玻璃光纤的直径减小到半波长以下，也能够支持光的约束【4】。以上两个例子属于典型的介质约束和传输，虽然介质结构的特征尺寸可以小于半波长，但是约束能力并不比镜面约束强。因为介质的约束能力与折射率成正比，常规介质在光学透明波段的折射率有限（一般小于5），对光的约束能力有限。介质约束传输依赖束缚电子对光场的响应，其优点是光损耗小，使用波长范围宽，但是其有限的折射率使得其约束能力有限。目前，已经具有一些方法可以用来大幅度增加介质的有效折射率，如利用介质材料的共振吸收，将光场能量短暂地存储在跃迁的束缚电子能级中，大大降低光的群速度，可以获得很大的等效折射率，但是共振吸收伴随很高的能量损耗【2】。基于量子干涉的电磁感应透明（EIT）效应也许可以解决一定波长范围内的损耗问题【5】，但透明波段很窄，在材料和实验等方面也受到很多限制。如何维持低损耗、不牺牲带宽的情况下，突破介质结构的约束能力，是一个值得考虑的难题。近年来发展起来的表面等离子体共振结构，将光场能量转换为金属（或其它能提供自由载流子的材料）表面准自由电子的集群振荡而进行传输，约束尺度可以小于1/10波长，突破了介质结构对光的约束极限【6】，在微纳光子学等相关研究和应用方面具有广泛的应用前景。但是，在光频波段，特别是在表面等离子体共振区，无法避免定向运动的自由电子与晶格之间相互作用过程中的能量损失，对光场约束很强的表面等离子体结构均伴随很高的光学损耗，引起信号减弱和热量产生等问题，使其在光的约束方面受到了限制。表面等离子体共振结构依赖准自由电子对光场的响应，其优点是约束能力强，但损耗大，对共振波长的选择也有限制，因此对于表面等离子体结构，在维持强约束能力的情况下，减小光的传输损耗是目前面临的一个难题。也许我们永远无法完全了解光是什么【7】，但是对光在空间尺度上施加更强的约束是认识光的更多特性的一个有效手段。这种约束能力每增加一定的程度，人们对光的认识水平和应用技术就可能更深入到一定的程度。因此，介观尺度上光的约束和传输，还有很多工作要做。参考文献1、ZheludevN.ShalaevV.Nanostructures+Light=Newoptics,JournalofOptics,2005,A7:S12、SalehBEA,TeichMC.,FundamentalsofPhotonics,NewYork:JohnWiley&Sons,19913、XuQF,AlmeidaVR,PanepucciRRet.al.,experimentaldemonstrationofguidingandconfininglightinnanometer-sizelow-refractive-indexmaterial,OpticsLetters,2004,29:16264、TongLM.GattassRR,AshcomJB,et.al.,Subwavelength-diametersilicawiresforlow-lossopticalwaveguiding,Nature,2003,426:8165、BollerKJ,Imamoglua,HarrisSE,Observationofelectromagneticallyinducedtransparency,PhysicalreviewLetter,1991,66:25936、BarnesWL,DereuxA,EbbesenTW,SurfacePlasmonsub-wavelengthoptics,Nature,2003,424:8247、OPNtrends-Thenatureoflight:whatisaPhoton,Optics&PhotonicsNews,2003