超表面光场单维度与多维度调控研究

发布时间：2020-05-28 08:47

【摘要】：实现对光场频率、振幅、相位和偏振态等多个维度的自由操控,进而获得小型化、轻质化和集成化的光学器件是目前国际上微纳光学和信息光学领域的重要研究内容。二维人工光学微结构——超表面的提出,为在微区实现光场调控提供了一种全新的方式。利用超表面不仅能够实现对光波频率、振幅和偏振态的灵活操控,同时还能够在亚波长尺度下实现对光场相位的有效控制,因此超表面在光场操控方面具有广泛的应用前景和应用价值,相关研究为微纳光学领域光学器件未来的研究、设计和发展提供了无限的可能性。实现对光场在不同维度下的灵活控制是目前超表面研究领域的热门方向,由此产生的新的光学现象和性能优异的光学器件开始受到人们越来越多的关注。本文以解决超表面光场调控研究前沿领域的关键性问题为研究的出发点,通过引入新材料、新设计和新物理的方式,解决了超表面光场调控相关研究和应用中存在的部分关键问题并对新产生的光学现象进行了深入研究。在光场振幅调控研究中:利用少层超表面设计方式,通过将两种具有不同光学功能的超表面结构进行巧妙的组合,在近红外波段首次实现了一种宽带线偏振光非对称单向透过现象;通过引入新二维材料—石墨烯的方式,利用石墨烯平面手性镂空结构首次在近红外波段实现了对圆偏振光非对称透过现象产生波段的线性动态调控。在光场偏振态调控研究中:通过将L型微结构与纳米天线阵列结构相结合的方式,实现了对L型结构线偏振光垂直转换效率的有效控制和显著增强,并进一步实现了非对称的线偏振光垂直转换现象;利用具有各向异性光学响应的超薄金纳米天线阵列在近红外波段实现了宽带高效的光场线偏振态与圆偏振态间的相互转换。在光场相位调控研究中:创新性地提出了一种由金纳米天线柱型结构组成的相位梯度渐变超表面,在近红外波段实现了对圆偏振光场相位在亚波长尺度下的高效调控,进而实现了高效率和可调控的基于几何相位的光子自旋霍尔效应。该项设计的效率与传统单层金属超表面结构相比有了显著提高,因此为基于金属材料的超表面的设计提供了新的方式。在光场联合多维度调控研究中:利用金纳米天线少层超表面设计在近红外波段实现了对光场振幅和相位的高效同时操控,并进一步实现了偏振选择的异常反射和异常折射现象的同时产生;通过两种具有不同空间对称性的金纳米天线少层超表面设计,实现了对光场偏振态和振幅的同时控制,进而实现了光场的自旋选择透过。
【图文】：

参数空间,磁导率,材料

数设计精妙的光学器件被不断的提出用以实现特定的光学功能或学现象。随着相关理论研究的不断深入，人们逐步发现了一系列自在的新奇光学现象；这些现象的产生并不违背物理学的基本定律界中存在的材料并不具备相应的光学性质，因而这些新奇的光学现并不能被观察到。因此，摆脱自然界有限的光学材料对光学现象和和实现的限制成为了近代光学研究的重要方向。料的光学响应主要由材料的介电常数与磁导率决定[2]。从物理的介电常数和磁导率描述了光场与材料的相互作用。如图 1.1 所示，质可以用由介电常数和磁导率构成的参数空间进行分类，具有不同导率的材料可以全部放置于参数空间。空气的介电常数和磁导率自然界中的大多数材料都集中于 = 0的这条线上，大多数电介质材都大于 0而磁导率都等于 0；金属、铁电材料和掺杂半导体材料在段可能会存在负的介电常数，而部分铁氧体材料的磁导率会出现和磁导率同时为负值的材料在自然界中还没有被发现。