單層雙軸雙曲材料古斯-漢欣位移性質(zhì)

沈加國，張強

單層雙軸雙曲材料古斯-漢欣位移性質(zhì)

沈加國，張強

（哈爾濱師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150025）

三氧化鉬因其具有強烈的各向異性，在光學(xué)方面受到研究人員的廣泛關(guān)注．采用傳輸矩陣的方法，研究了在中紅外區(qū)間三氧化鉬材料的厚度對反射光束古斯-漢欣位移的影響．結(jié)果表明，隨頻率的變化古斯-漢欣位移呈現(xiàn)由負(fù)到正的轉(zhuǎn)變；增加三氧化鉬厚度可使古斯-漢欣位移先增大后減小，其最大值約為波長的12.5倍．此研究成果在新型納米光學(xué)器件應(yīng)用方面具有重要意義．

三氧化鉬；古斯-漢欣位移；雙曲材料

1947年Goos與H?nchen首次在實驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)材料表面滿足一定的條件，光束入射到材料表面發(fā)生全反射時，反射光束將會相對于幾何反射光橫向移動一小段距離[1]1-3，后人稱這種現(xiàn)象為古斯-漢欣位移．古斯-漢欣位移一經(jīng)發(fā)現(xiàn)就引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，次年Artmann從理論上證明了這一現(xiàn)象的存在．在過去的幾年中，有大量的關(guān)于古斯-漢欣位移方面的理論和實驗工作[2-3]，其中在光學(xué)開關(guān)[4]、溫度傳感器[5]、生物傳感器[6-7]等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并且在較高精確度和靈敏度傳感方面具有很大的應(yīng)用價值[8-9]．雙曲材料在理想情況下能夠支持倏逝波向前傳播，具有獨特的電磁波傳播特性．相較于人工合成的雙曲超材料，以方解石、六方氮化硼、三氧化鉬為代表的天然雙曲材料擁有更加優(yōu)良的光學(xué)性能，更低的光學(xué)損耗以及更簡單的制備方法等優(yōu)點．2018年Wu Xiaohu[10]研究了六方氮化硼表面的光學(xué)躍遷現(xiàn)象與其光軸方向的關(guān)系．2021年Ma W[11]等證明了在各向異性的方解石晶體中存在“幽靈”雙曲極化激元電磁波．三氧化鉬作為一種新型天然雙軸雙曲材料，因其具有強烈的各向異性受到了人們的重視[12-13]．其在中紅外頻段擁有３個剩余頻率帶，是六方氮化硼其剩余頻率帶的３倍，并且在不同的方向上對于頻率的響應(yīng)各不相同．目前許多的研究主要關(guān)注其化學(xué)特性[14]，而材料的光子特性卻在近幾年少有關(guān)注[15]．鑒于此，本文使用傳輸矩陣的方法，探究單層的三氧化鉬材料表面的古斯-漢欣位移效應(yīng)，為新型納米光學(xué)器件的研究提供理論依據(jù)．

1　理論模型與計算方法

式中：；；，，，分別表示在各個主軸坐標(biāo)系各方向下的介電函數(shù)．

根據(jù)麥克斯韋方程組，三氧化鉬中的電場表達(dá)形式為

（2c）

根據(jù)傳輸矩陣（6），可以得到反射電場與入射電場之間的關(guān)系為

（8）

2 數(shù)據(jù)模擬與討論

圖2 正交三氧化鉬材料介電函數(shù)實部隨頻率變化情況

圖3 三氧化鉬材料表面古斯-漢欣位移、反射率、透射率和吸收率隨頻率和厚度的變化

在臨界角附近可得到反射率相對高的古斯-漢欣位移峰值，相較于布魯斯特角的位移谷值，其位移較?。S著頻率的增加，材料表面產(chǎn)生的古斯-漢欣位移將產(chǎn)生從負(fù)到正的轉(zhuǎn)變，并且厚度這一參量對于這一現(xiàn)象的影響不大，這對于材料的制備具有一定的指導(dǎo)作用．

3 結(jié)語

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Goos-H?nchen shift properties of monolayer biaxial hyperbolic materials

SHEN Jiaguo，ZHANG Qiang

（School of Physics and Electronic Engineering，Harbin Normal University，Harbin 150025，China）

Molybdenum trioxide has received a lot of attention from researchers in the field of optics because of its strong anisotropy．The effect of the thickness of the molybdenum trioxide on the Goos-H?nchen shift of the reflected beam in the mid-infrared region is investigated with the transmission matrix method．The results show that an increase in frequency causes a negative to positive transition in the Goos-H?nchen shift．An increase in the thickness of molybdenum trioxide results in an increase and then a decrease in the Goos-H?nchen shift，whose maximum value is about 12.5 times the wavelength．The application of the study are significant for the research of novel nano-optical devices．

molybdenum trioxide；Goos-H?nchen shift；hyperbolic materials

1007-9831（2022）08-0052-06

O431.1

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2022.08.011

2022-04-10

沈加國（1998-），男，黑龍江齊齊哈爾人，在讀碩士研究生，從事雙曲材料表面光學(xué)性質(zhì)研究．E-mail：jgshen98@126.com

張強（1980-），男，黑龍江雞西人，副教授，博士，從事雙曲材料表面光學(xué)性質(zhì)研究．E-mail：hsdzq80@126.com