人工微结构超材料的光场传输与耦合调控及其应用

发布时间：2020-07-05 13:56

【摘要】：超材料由人工设计的单元组成,它的电磁参数任意可调,具有自然界材料所不具备的新颖电磁特性。表面等离激元的等效波长小于自由空间波长,利用它能够突破衍射极限。将两者结合起来,借助超材料电磁参数任意可调和表面等离激元能够突破衍射极限的特性,可以实现光学器件的小型化、集成化以及多功能化。本论文通过设计人工微结构对电磁波进行有效调控,实现了等离激元诱导透明、偏振调控、光束聚焦以及偏振解析等一系列光学效应,并探究了其在光电子器件上的应用。主要研究内容与创新点如下:一、在单个谐振腔调制的金属-介质-金属波导结构中实现了类电磁诱导透明效应。利用传输线理论,建立了一个修正的传输线模型来阐述谐振腔中激励的两种正交的电磁场模式。理论解析和数值模拟结果的一致性充分验证了传输线模型的有效性。此外,建立了两个类似于原子系统中电磁诱导透明的三能级体系模型,揭示了类电磁诱导透明效应的内在物理机制。结果发现,水平激励的类电磁诱导效应具有更好的光谱特性以及更大的群折射率。该结果将加深对类电磁诱导透明效应产生机理的理解,为高度集成光学器件中电磁波的调控提供理论指导。二、提出了一种概念上全新的设计原理,设计了具有一些奇异功能的超薄平面超波片。通过设计两种不同的切口结构,将带有自旋角动量的入射圆偏振光转化为具有相反轨道角动量的等离激元模式。产生的两种等离激元模式在近场范围内相互作用,最终在远场上转化为不带有角动量的线偏振光。在此过程中,入射光带有的角动量被湮灭掉,此时的超波片结构体现出了四分之一波片的功能。然而,与传统的四分之一波片相比,该超波片具有单向转化的性能(只能将圆偏振光转化为线偏振光),并且转化的线偏振光具有特定的出射偏振角。此外,该超波片可以具有手性材料的特性,可以在一个宽波段范围内展现旋光效应。三、基于超表面结构设计了一个超薄的反射式平面超透镜,利用它可以实现突破衍射极限的多功能聚焦效应。根据等光程差原理,推导了多功能聚焦解决相位补偿需要满足的相位分布。根据相位公式,设计了具有突破衍射极限特征、高聚焦效率(85%)及宽带聚焦效应的中心聚焦超透镜。同时,为了展示反射超透镜的灵活性,研究了偏心聚焦效应以及横向和纵向的双聚焦效应。由于倏逝波场增强机制的存在,所展示的聚焦效应都能够突破衍射极限。此外,还探究了超透镜数值孔径和透镜结构尺寸的关系,揭示了其对聚焦性能的影响。四、利用不具有旋转不变性的超表面结构实现了宽波段偏振无依赖超透镜。超透镜的结构单元由两列能够分别聚焦左旋圆偏振光与右旋圆偏振光的纳米块阵列结构组成。基于此单元特性,设计的超透镜可以实现偏振无依赖的聚焦效应。上述功能的实现,依赖于任意偏振光可以分解为一个左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的组合。进一步,提出了基于琼斯矢量的理论方法揭示其潜在物理机制。同时,通过使用时域有限差分法对偏振无依赖的聚焦效应进行了验证,并且在400nm的波长范围内实现了偏振无依赖的聚焦效应。五、设计了一个新奇的偏振解析器件,它可以通过简单的测量过程来实现入射光偏振态的精确解析。偏振解析器件由两个精心设计的分别聚焦两种圆偏振光的超透镜组成。因此,对于任意的入射偏振光(视为左旋和右旋圆偏振光的组合),两个超透镜在聚焦效率上就会有所差异,这一差异反过来可用于解析入射光的偏振态。结合理论和数值模拟,推导出了偏振解析的一般化公式,利用该公式可以计算入射光的椭偏率,为精确解析入射光偏振态提供一种新的方法。进一步,由于超透镜的宽带聚焦效应,该解析器件在400nm的波长范围内实现了偏振解析功能。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB30;TB34
【图文】：

示意图,表面等离激元,表面等离子体,局域

第一章引言1957 年，Ritchie 在 Pines 工作的基础上，将金属换成金属薄片，发现当电子束通过金属薄片时也会出现能量损失现象，并将这一现象归因于等离子体模式的产生[25]。1968 年，Otto 利用衰减全反射(Attenuated Total Reflection, ATR)方法成功地实现了 SPPs 的光激发[26]。同年，Kretschmann 对 Otta 的结构进行了改进提出了应用最广泛的 SPPs 激发模型[27]。1998 年，Ebbesen 等人首次发现了亚波长金属孔阵列结构的异常光透射(Extraordinary optical transmission，EOT)现象[28]，至此对 SPPs 的研究迅速发展起来。

介质界面,表面等离激元,金属,金属表面

对介电常数的实部为负值，虚部可以表示为" 2 3/p ，且该值在低频情况下，带间跃迁效应对介电常数的影响较小，Drude 模型描述金属的色散特性。当电磁波的频率较高时，带间跃迁效应对介大，并且光子能量越大其影响就越显著，所以科研人员对 Drude 模，用描述当远远大于p 时的值。修正后金属的相对介电常22( )pi 限大金属和介质界面上产生的 SPPs 是由金属和电介质两种材料的图 1.2 中分别展示了金属和介质界面上激发的 SPPs 以及垂直于金属电场 Ez的分布。(a) (b)

【相似文献】