激光激发下古斯-汉欣位移增强的实验研究

激光激发下古斯-汉欣位移增强的实验研究

1947年，洪武和h！两位物理家发现，当光束完全反射于两个介质界面时，反射点相对于入射点的相位突然变化，反射光相对于入射光的空间距离。这条距离被称为古斯-汉深位移，因为古斯-汉深位移的严重物理内涵自发现以来，受到了物理专家的广泛关注。例如，在上世纪末，当粒子通过势束时，由于违反《论》杂志结果的负群的延迟时间，以及近年来发现的共振激发异常的古斯-汉源位移和镜像效应，这与上世纪末的情况是一致的。本文简述我们在古斯-汉欣位移研究中的3项工作:第一,在有关因果律佯谬的争论中,利用平板波导证明了全反射的时间延迟除了传统的群延迟时间之外,还应包括附加的侧向相移引起的古斯-汉欣时间,这一结论支持了加拿大学者Resch的观点.同时指出:Tournois发现的所谓因果律佯谬在G-T干涉仪和理想无吸收等离子镜表面都不存在.第二,本文还讨论了共振激发结构中古斯-汉欣位移的增强效应,导出了古斯-汉欣位移增强必须满足的解析条件:当共振模的本征损耗等于辐射损耗时,可得到最大的古斯-汉欣位移.在此基础上我们用半导体激光和亚毫米尺度双面金属包覆波导开展了古斯-汉欣位移增强的实验研究,获得了迄今为止最大的接近毫米量级的古斯-汉欣位移.第三,利用双面金属包覆波导中的超高阶导模对导波层厚度和折射率的高灵敏度性质,进行了位移和溶液浓度传感的实验研究,分别获得了较为稳定的40pm的位移分辨率和2×10-7的折射率分辨率.同时,利用超高阶导模的强色散特性和增强的古斯-汉欣位移,进行了超棱镜效应的研究,获得了波长变化仅为0.15nm时,空间色散达到了0.9mm的宽度.1全反射的因果律嘴唇1997年,法国科学家Tournois发现,在图1所示的以他为名命名的Gires-Tournois(GT)干涉仪结构中,若n1>n3>n2,且当n1介质中的入射角θ大于n1和n3介质的全反射临界角时,这时全反射引起的群延迟时间tg=∂(-2ϕ)/∂ω<0,(1)其中-2ϕ为反射光线相对于入射光线的全反射相移.而群延迟时间tg<0是违反相对论因果律的,Tournois无法解释,因而称之为因果律佯谬.为了解决这个问题,2001年,加拿大多伦多大学的Resch等人提出,当光束在图2所示的两种介质的界面上全反射时,B点相对于A点的总相移,不能像Tournois那样,只考虑垂直于入射面平面中的相移分量-2ϕ,实际上,还必须加上入射面内的侧向相移分量,这时,全反射时的总相移应为其中由侧向相移引起的时间延迟称作古斯-汉欣时间tGH,则在GT干涉仪中全反射时间延迟为t=tg+tGH>0,(4)即全反射时间延迟总是正的,并不违背相对论因果律.但Tournois不接受Resch等人的思想,经过长达4年的思考,于2005年他举出一个理想无吸收等离子镜面上反射的TM偏振光的反例,说明全反射时若考虑附加侧向位移同样会产生负群延迟时间,因而Resch的观点不成立.我们通过光波导中光线传输图像的研究,首先确认Resch等人的观点是正确的,即必须考虑由侧向相移引起的古斯-汉欣时间tGH.而对Tournois提出的入射于等离子镜面上的TM偏振光的反例,我们指出,由于n2pp2<0,对图3所示的入射面,实际的反射光点既不在通常认为的分界面上,也不在分界面后,而是处于分界面前.根据这个分析算出的总的延迟时间还是正的.从而说明在等离子镜面上全反射的因果律佯谬也是不存在的.2古斯-汉欣位移公式的推导通常情况下,古斯-汉欣位移为光源的波长量级.因此,若使用激光光源(波长λ～1μm左右),实验上很难测量到古斯-汉欣位移,已有人使用微波观察到了厘米尺度的古斯-汉欣位移.近年的实验发现共振模激发时会引起异常大的古斯-汉欣位移,而且这种位移既可为正,也可为负.本节利用棱镜-波导耦合系统对这种增强效应进行了理论探讨.考虑图4所示的棱镜-波导耦合系统,其中ε0、ε1、ε2和ε3分别为衬底、导波层、空气隙和棱镜的介电常数,d1和d2分别为导波层和空气隙的厚度.当满足同步条件时,可导出近似的古斯-汉欣位移公式S=−2Im(ΔβL)Im(β0)2−Im(ΔβL)2cosθS=-2Ιm(ΔβL)Ιm(β0)2-Ιm(ΔβL)2cosθ,(5)其中,Im(β0)和Im(ΔβL)分别表示共振模的本征损耗和泄漏损耗,θ为棱镜中的入射角.由公式(5)可得以下结论:(1)当本征损耗等于泄漏损耗,即当Im(β0)=Im(ΔβL)(6)时,可得到最大的古斯-汉欣位移;(2)如果本征损耗大于泄漏损耗,即有Im(β0)>Im(ΔβL)时,古斯-汉欣位移S<0;而当Im(β0)<Im(ΔβL)时,古斯-汉欣位移S>0.在此基础上,我们用半导体激光和图5所示的亚毫米尺度双面金属包覆波导开展了古斯-汉欣位移增强的实验研究,利用自由空间耦合技术激发波导中的超高阶导模,并通过改变上金属层的厚度控制泄漏损耗的大小.在较理想的情况下,获得了迄今为止有报道的最大的0.9mm的正向位移和0.2mm的负向位移.3超高阶导模的传感技术超高阶导模的灵敏度Γ可定义为有效折射率对某一特征参数的导数,即有其中ζ代表波长λ,导波层折射率n1和厚度h.由于超高阶导模的有效折射率N→0,因而可得到极高的灵敏度.另外,利用古斯-汉欣位移为传感探针,可避免由光强涨落引起的噪声,而这种噪声是影响高灵敏度传感器性能的重要因素.这种噪声的有效抑制为提高传感器的灵敏度和分辨率开辟了一条新的路径.根据以上原理开展的传感如下实验.3.1古斯-汉欣位移测量测量溶液浓度变化的结构如图6所示.以NaCl溶液为样品,通过改变溶液浓度(折射率)来调整波导的辐射损耗,从而改变古斯-汉欣位移的大小.测量结果如图7所示.由图看出,20μm的位移变化相当于20ppm的溶液浓度变化,也相当于2.0×10-6的折射率变化.再根据图上的噪声水平,估计这种折射率传感器的分辨率约为2.0×10-7.3.2古斯-汉欣的位移传感器保护图8为测量导波层厚度位移变化的结构,压电晶体LiNbO3用来改变导波层(空气隙)的厚度,当压电晶体上施加10V电压,空气隙的厚度变化8.0×10-11m,则如图9所示,古斯-汉欣位移变化约为2μm.再根据图上的噪声水平,这种位移传感器的分辨率约为4.0×10-11m.3.3超瞳效应法描述超棱镜效应的结构如图10所示.超棱镜效应是指某种结构引起的特别大的色散,由于这种效应在波分复用(WDM)技术中潜在的应用价值,因而引起了