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近年来,光电信息功能材料的研究逐渐成为凝聚态物理和材料科学的研究热点。一方面,它具有基础研究的意义;另一方面它在光电子技术领域具有极大的应用前景。由于光子在传播速度、信息载量以及能量损耗等方面优越于电子,人们希望能够像控制固体中电子的传输行为一样去控制和利用光子,最终希望光取代电子而作为信息载体。
本论文从理论和实验两方面对非周期介电多层膜中光传播性质进行了系统研究,得到了一些有意义的结果:第一,对准周期介电多层膜中对称性诱导的光的共振透射进行了理论和实验研究。运用转移矩阵方法,在理论上系统探讨了多层膜中结构的对称性与光传播性质的关系。在实验上,利用电子束蒸发和磁控溅射等技术制备了一系列对称型Fibonacci多层膜,运用高分辨透射电镜对其结构特征进行了分析,光学观测结果揭示出对称性诱导的光的一系列完全透射峰。这个工作的意义在于,我们首次从实验上发现并且证实了准周期介电多层膜中对称性诱导的光的共振透射这一物理现象,为控制光的频率输出提供了一种科学思路。
第二,运用dimer-like的空间关联模型,解析地研究了准周期介电多层膜中对称性诱导的光的共振透射的物理机制,得到了共振透射模式发生的规律。进一步发现,对称性诱导的光的共振透射这一现象是非周期介电多层膜中的普遍规律,并且发生共振透射的模式可以通过结构设计如具有缺陷的对称型介电多层膜来调控,实验结果与理论计算相当吻合。该工作首次揭示了非周期介电多层膜中对称性诱导的光的共振透射的物理原因,在此基础上给出了控制光的频率输出的一种新方法。
第三,对介于周期和准周期结构之间的Thue-Morse介电多层膜中光传播性质进行了研究。在理论上解析地得到了Thue-Morse介电多层膜中光透射系数的表示式,给出了其发生全透射的条件。首次从实验上揭示了该结构中所发生的共振透射,并且研究了光学厚度调制对共振透射的影响;首次在实验上观测到介于周期和准周期结构之间的Thue-Morse介电多层膜中光的共振透射模式的三分叉规律,这一结果可以与此类系统中电子性质相类比,但电子性质中的三分叉规律至今仍无实验的证实。该工作是Thue-Morse结构中三分叉规律的第一个实验证实。
通过以上三个方面的研究,我们发现了非周期介电多层膜中对称性诱导的光的共振透射这一物理现象,揭示了其物理原因,探讨了这些研究结果在光信息传输领域的可能应用,对于最终控制光的频率输出,对于发展光信息传播新技术无疑具有启发性。