超构表面的空间色散与手性波束分离器件研究

发布时间：2020-08-17 21:58

【摘要】：手性是在自然界中普遍存在的一种重要几何属性,它源自于物体结构自身镜面对称性的缺失。材料的手性特征能够引起许多特殊的现象,例如药物分子的旋性会对生命体产生影响、电子在手性分子中的透过率会受到其自身自旋取向的影响等。在光学领域,当手性结构与圆偏振态的光相互作用时,也会有许多特殊的响应出现,包括旋光性、偏振转换二色性等,这些效应在通信、成像、传感等领域具有十分重要的作用。然而自然界中的结构由于其尺寸与光波长不匹配等因素,手征响应一般比较微弱,这对我们研究手性光学造成了一定的困难。随着研究的发展,异向介质(Metamaterial)的出现为手性光学的研究提供了很大的帮助。我们可以通过人工设计合理的结构来实现强烈的手征响应,在此基础上可以进行对圆偏振光的有效调控。除此之外,作为人工构造材料,异向介质还具有许多自然界材料不具备的性质,如负折射率、强烈手征响应等。作为异向介质的二维形态,超构表面(Metasurface)同样能用于手性光学的研究,并且相对于三维异向介质来说超构表面的体积更小,设计和制作更为简单,更有利于器件的小型化和集成化。本论文以超构表面的手征响应为重点,在新型超构表面的设计和实现等方面做了相关的研究。本文的具体研究内容归纳如下:1.首先我们利用散射矩阵理论对普通超构表面做了一般性分析,说明了超构表面旋光性、偏振转换二色性等存在的条件,并且分析了单层超构表面的偏振转换限度,最后对几类常见超构表面的传输矩阵进行了分析,为我们后续对超构表面的研究和设计提供了基础。2.对双各向异性超构表面的空间色散特性进行了研究,证明了超构表面可以同时具有强烈的线偏振二色性和圆偏振二色性。通过仿真和实验,我们证明了非手性双各向异性超构表面在外界场垂直入射时可以具有强烈的线偏振二色性,即只能吸收两种线偏振态波的其中一种;在倾斜入射时可以具有强烈的圆偏振二色性,即只能吸收两种圆偏振波的其中一种。在此基础上,我们通过调整超构表面单元的尺寸和取向还设计了双频段手性和具有混合手性特征的超构表面。3.我们将二维材料范德瓦尔斯异质结的概念引入超构表面的设计中,利用反向堆叠的超构表面能够实现了圆偏振波的手性反转分离。这种结构可以将一种圆偏振态的波反射另一种圆偏振态的波透射,并且改变其偏振状态。通过分析我们得出这种现象的产生是由结构特殊的层间耦合作用所引起的。这种结构也可以被用作线偏振波分束器,即能够将线偏振的入射波分成两束状态正交的圆偏振波,一束被反射另一束透射,这种功能与入射波的偏振方向是无关的。另外,我们设计的结构还具有非对称传输的性质,在外界波反向入射时,结构的手性特征会发生反转。4.通过超构表面与二极管的结合设计了手征响应可调控的超构表面。我们首先设计了一种手性开关超构表面,通过切换PIN二极管的导通和截止状态可以调控超构表面手征响应的强弱。我们还设计了一种多状态可切换超构表面,利用两个二极管与超构表面结合,设计出四种状态可切换的超构表面,分别对应左旋偏振吸收、右旋偏振吸收、都吸收和都不吸收四种情况。5.利用几何相位原理实现了具有手性分束聚焦功能的超构表面。我们使用三层超构表面结构实现了一种平面超构透镜,这种透镜可以实现对一种圆偏振波的透射聚焦,对另一种圆偏振波的反射发散,并且具有非对称传输特性,最后我们在微波频段对这种超构透镜进行了仿真和实验验证。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O436.3;TH237.5
【图文】：

光源,表面微观结构,绿色,蝴蝶

逦山东大学博士学位论文逦逡逑奇妙的现象：蝴蝶的翅膀可以显示出斑斓的色彩，这是由于其表面的树状结逡逑构所引起的［３］；甲虫在不同圆偏振光的照射下会反射不同的色彩，这是源逡逑自于甲虫壳表面螺旋形的结构［４］；公元四世纪罗马人使用一种红宝石玻璃逡逑制作了著名的莱克格斯杯（Ｌｙｃｕｒｇｕｓ邋Ｃｕｐ），当光源在杯子外面照射时，杯子逡逑看起来呈现绿色，而当光源在杯子内照射时，杯子看起来就是红色的，这种逡逑现象则是源于混合于材料内部的金银颗粒分布［５邋］。这些新奇的现象都指引逡逑这我们去探索新的物理规律。逡逑

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［ｇ邋Ｉ邋ｉ邋ｊ邋ｉ邋”＜０逦ｃ＜０逦ｎ＜０逡逑ＪＪＩＪ邋＾＼＼＼逡逑图１．２邋（ａ）首个（；Ｈｚ频段实现负折射率的结构丨１８｜；邋（ｂ）在光频段实现负折射率的逡逑结构丨１９｜逡逑Ｇ邋ｊ！ｄ？ｄ邋ｅｔｅｃｌ？ｏｍａｇｎ＃ｔ＞ｃ邋ｗ；ｉｖ？逡逑７邋．逦＇，逦（ｂ）逡逑＊逦ｒ邋．“ｒ＞。逦＜ｒ＞0．．ｒ．0逡逑Ｊ．．逦N邋Ｊ邋．逦逦逦—逦逦逦逡逑，＂邋：，邋二二逡逑图１．３邋（ａ）利用异向介质实现电磁隐身丨２４丨；（ｂ）利用异向介质实现“彩虹效应”｜２７丨逡逑进入２１世纪以来，异向介质领域快速发展，人们不断构造出新的结构逡逑并发现一系列新的现象，也正是由于其发展迅速，异向介质一直没有一个明逡逑确的定义［３邋３邋］。人们普遍认同的一种观点是异向介质是一种人工构造的具有逡逑特殊性质的材料，这里我们遵循的异向介质的定义是：逡逑异向介质是一种人工构造的亚波长单元构成的阵列结构（Ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ逡逑ａｒｅ邋ｐｅｒｉｏｄｉｃ邋ａｒｒａｙｓ邋ｏｆ邋ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ邋ｗｉｔｈ邋ａ邋ｐｉｔｃｈ邋ｓｍａｌｌｅｒ邋ｔｈａｎ邋ｔｈｅ逡逑

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山东大学博士学位论文逡逑么找到一种合适的方法对其物理性质进行表征是研宄的关键所在。三维体结逡逑构的异向介质通常使用等效介电常数、等效磁导率、等效折射率的方法来对逡逑其进行表征，然而由于超构表面是一种二维结构，其厚度远远小于波长，所逡逑以使用这种方法来对其进行表征的时候会出现一些问题［４８］。于是，Ｃ．邋Ｌ．逡逑Ｈｏｌｌｏｗａｙ教授提出可以使用等效的表面电、磁极化率对超构表面进行表征，逡逑并且利用表面过渡条件（Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ邋ｓｈｅｅｔ邋ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ邋ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，邋ＧＳＴＣｓ）进逡逑行了详细的理论分析［４４．４９．邋５0ｈ至此，超构表面的概念变得更加清晰，发逡逑展也更为迅速。逡逑

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