撰稿|李志远，潘剑波，陈剑锋
华南理工大学物理与光电学院
E-mail: phzyli@scut.edu.cn
光学在物理学的发展历史中一直占据着重要的地位，不管是光学启蒙时期还是现代光学时期，对于光在两种不同介质界面处的反射、折射以及介质中的传播和演化一直是一个广泛讨论的基础性光学、物理和科学话题。几何光学的内容可以直观简洁的描述各向同性介质界面处的反射与折射，给出著名的反射定律和折射定律，而对于各向异性的介质，光的电磁学理论可以详实地说明界面处的入射波、反射波与折射波的振幅和相位关系。由麦克斯韦总结发展的电磁学，虽然已经建立了一套比较完善的理论方法来研究光在各向异性介质界面处的反射、透射和演化的特性，然而在实际案例如单轴晶体的中，依旧存在计算过程较为繁琐的问题。
尽管在许多前人的努力下，双折射晶体中非寻常光光束的传播已经被详细讨论，然而许多经典教材中，对于晶体光学的光波传输行为存在求解过程较为复杂和理解困难的问题，给学习者和研究者在学习过程增加了一定难度，而且在一定程度上给物理教学带来困难。此外，相比于晶体光学中的折射角，人们对于晶体表面的反射率和透射率的理论计算知之较少。例如，在Born和Wolf的经典教科书《光学原理》中，基本的步骤是将麦克斯韦方程组和向量恒等式结合起来，求解波向量k和电位移向量D的关系式（即菲涅尔方程），利用该方程确定折射角和折射率椭圆的显式表达式。由于教材的内容需要普适性，于是引入了许多符号、定义、参数和图表来帮助数学推导以及物理讨论，因此对于该基本问题的计算步骤和程序也就稍显复杂。同样的情况也出现在其他教科书中，如赫克特的《光学》、赵凯华的《光学》和梁铨廷的《物理光学》。
针对古老的双折射晶体光学的困难，华南理工大学李志远教授研究团队发展了一种基于电磁理论的简易方法，能够以简明扼要的方式建立单轴晶体晶体光学的完整图景。该方法遵循光波的传播过程，从基本的麦克斯韦方程组出发，结合边界条件匹配，利用波矢量的对称性给出了双折射介质中的波矢色散关系。该方法不仅给出了双折射晶体众所周知的椭圆折射角和折射率，而且揭示了许多相关的物理量和光学量，这些物理量和光学量被研究和了解的相对较少。首先是在给定入射角下，计算了光在晶体表面的振幅和强度的反射系数和透射系数，并展示了晶体内的电磁场分布。接着推导了光的波前折射角和能流折射角，以及相应的相位和光线折射率。发现相位折射率满足经典的折射率椭圆和斯涅尔定律，而光线折射率不满足。此外，还揭示了零反射布儒斯特角和全内反射临界角的显式表达式。为了更好地演示概念，以弱双折射铌酸锂晶体和强双折射碲晶体为例，进行了理论计算。并且对z切铌酸锂板进行了实验测量，发现理论和实验在布儒斯特角方面有很好的一致性。
新的简易而严格的电磁理论方法有助于对双折射晶体中的光传输特性建立一个清晰而完整、通俗易懂而不失严格的物理图景。该理论方法有望极大地缓解基础光学教学中关于晶体光学的冗长和困难程度，纾解学生的畏难心理，提高教学效果，增进对晶体光学这样的一门重要而基础的光学知识和技能的理解和掌握。在前沿科学研究领域，该方法有可能帮助人们用电磁理论找到双折射晶体中发生的许多光和物质相互作用过程的严格解，例如非线性光学相互作用。
这项研究工作得到国家自然科学基金项目(项目编号11974119)、 广东省引进创新创业团队(2016ZT06C594)的资助。
详见论文原文：
Jianbo Pan, Jianfeng Chen, Lihong Hong, LiLong and Zhi-Yuan Li, “A simple and comprehensive electromagnetictheory uncovering the complete picture of light transport in birefringentcrystals”, Chin. Phys. B 31, 054201 (2022).
DOI: 10.1088/1674-1056/ac4747
由华南理工大学国家杰青、世界高被引科学家李志远教授领衔的“人工光、声微结构实验室”研究团队目前有5位教授，4位副教授，以及42位硕士、博士研究生和博士后研究人员。团队主要从事微纳光子学及其与非线性光学、激光技术、光物理、量子物理交叉，以及光子/声子晶体及光学/声学超材料与拓扑物理交叉等国际前沿及国家需求重要领域的理论、实验和应用研究。团队多篇论文入选ESI热点论文及高被引论文。先后承担广东省引进创新创业团队重大项目，科技部重点研发项目课题，国家基金委重点、面上和青年项目，广东省重点研发项目及广东省杰青项目等近20项。
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