人工电磁超表面在显示技术中的应用
发布时间：2021-08-06 22:20
全息显示是一种真三维显示技术,是最具有吸引力的显示技术之一。然而,目前广泛应用在全息显示系统中的核心光学元件尺寸偏大。人工电磁超表面（Metasurface）是超材料的二维形式,是一种由亚波长结构尺寸的各向异性的二维天线阵列组成的平面器件。超表面器件的尺寸优势和灵活的光场调制功能,可满足广角全息显示系统的全息光学元件的超轻、薄需求。本论文主要尝试将超表面器件应用在显示技术领域。首先研究了一种基于传输相位型超表面设计的具有偏振独立特性的光束偏折器件。设计得到振幅均等且相位延迟间隔相差45°的八个U形硅纳米天线单元,通过理论推导和模拟仿真验证其偏振独立特性;在此基础上,设计了光束偏折器件,验证其对线偏振光和圆偏振光的偏折效果的一致性,分析得到工作波长和晶胞单元长度对器件的光束偏折性能以及偏振独立性的影响。研究了一种基于红、绿、蓝三基色的硅天线的几何相位型超表面器件。几何相位型超表面具有消色差的相位调制功能,硅介质结构在具有在可见光波段的低损耗特性,通过模拟仿真,优化结构参数,获得了三种不同尺寸的超表面单元结构,并且抑制非工作波段附近的响应。基于硅天线超表面单元的研究结果,设计了基于广角成像...
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
（a）V形天线对称轴与入射光极化方向成逆时针45°时对称模式与反对称模式示意图
有不同天线结构的传输相位型超表面（a）H 形天线超表面（b）方砖形型超表面通过控制天线结构的光轴方向实现光场调控，其相位调控原理相位型超表面时，由于超表面的天线阵列具有快轴方向 θ 随空间变化的载了一个与空间方向相关的几何相位。1956 年，Pancharatnam[48]指出某球表面沿某一路径后的相位改变是闭合路径对应立体角的一半；1984 年象并首次提出几何相位，因此几何相位又被称为 Pancharatnam-Berry 相位调控，具有宽带消色差性质，可以在宽带工作。2015 年，武汉大学郑层-金属天线阵列结构（又称 MIM 结构）的反射式几何相位型超表面实如图 1-6（a）所示。因为金属薄膜可以阻挡可见光和红外光的透过，因较高的衍射效率（600nm-1400nm 波段窗口效率超过 50%；波长 825nm表面单元相当于半波片，可以将入射的圆偏振光转化为反射的交叉极阵列旋转角度，并且在此过程中引入几何相位，相位调控覆盖 0~2π。
图 1-2 具有不同天线结构的传输相位型超表面（a）H 形天线超表面（b）方砖形天线超表面几何相位型超表面通过控制天线结构的光轴方向实现光场调控，其相位调控原理是：当圆偏振光入射到几何相位型超表面时，由于超表面的天线阵列具有快轴方向 θ 随空间变化的半波片性质，出射的光波加载了一个与空间方向相关的几何相位。1956 年，Pancharatnam[48]指出某偏振状态的电磁波在庞加莱球表面沿某一路径后的相位改变是闭合路径对应立体角的一半；1984 年，Berry[49]重新研究了此现象并首次提出几何相位，因此几何相位又被称为 Pancharatnam-Berry 相位。几何相位型超表面的相位调控，具有宽带消色差性质，可以在宽带工作。2015 年，武汉大学郑国兴[28]基于金属薄膜-介质层-金属天线阵列结构（又称 MIM 结构）的反射式几何相位型超表面实现了高效率的全息成像，如图 1-6（a）所示。因为金属薄膜可以阻挡可见光和红外光的透过，因而可以在很宽的波段内实现较高的衍射效率（600nm-1400nm 波段窗口效率超过 50%；波长 825nm 处，效率最大可达 80%）。超表面单元相当于半波片，可以将入射的圆偏振光转化为反射的交叉极化圆偏振光，利用控制天线阵列旋转角度，并且在此过程中引入几何相位，相位调控覆盖 0~2π。
本文编号：3326581
【文章来源】：东南大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
（a）V形天线对称轴与入射光极化方向成逆时针45°时对称模式与反对称模式示意图
有不同天线结构的传输相位型超表面（a）H 形天线超表面（b）方砖形型超表面通过控制天线结构的光轴方向实现光场调控，其相位调控原理相位型超表面时，由于超表面的天线阵列具有快轴方向 θ 随空间变化的载了一个与空间方向相关的几何相位。1956 年，Pancharatnam[48]指出某球表面沿某一路径后的相位改变是闭合路径对应立体角的一半；1984 年象并首次提出几何相位，因此几何相位又被称为 Pancharatnam-Berry 相位调控，具有宽带消色差性质，可以在宽带工作。2015 年，武汉大学郑层-金属天线阵列结构（又称 MIM 结构）的反射式几何相位型超表面实如图 1-6（a）所示。因为金属薄膜可以阻挡可见光和红外光的透过，因较高的衍射效率（600nm-1400nm 波段窗口效率超过 50%；波长 825nm表面单元相当于半波片，可以将入射的圆偏振光转化为反射的交叉极阵列旋转角度，并且在此过程中引入几何相位，相位调控覆盖 0~2π。
图 1-2 具有不同天线结构的传输相位型超表面（a）H 形天线超表面（b）方砖形天线超表面几何相位型超表面通过控制天线结构的光轴方向实现光场调控，其相位调控原理是：当圆偏振光入射到几何相位型超表面时，由于超表面的天线阵列具有快轴方向 θ 随空间变化的半波片性质，出射的光波加载了一个与空间方向相关的几何相位。1956 年，Pancharatnam[48]指出某偏振状态的电磁波在庞加莱球表面沿某一路径后的相位改变是闭合路径对应立体角的一半；1984 年，Berry[49]重新研究了此现象并首次提出几何相位，因此几何相位又被称为 Pancharatnam-Berry 相位。几何相位型超表面的相位调控，具有宽带消色差性质，可以在宽带工作。2015 年，武汉大学郑国兴[28]基于金属薄膜-介质层-金属天线阵列结构（又称 MIM 结构）的反射式几何相位型超表面实现了高效率的全息成像，如图 1-6（a）所示。因为金属薄膜可以阻挡可见光和红外光的透过，因而可以在很宽的波段内实现较高的衍射效率（600nm-1400nm 波段窗口效率超过 50%；波长 825nm 处，效率最大可达 80%）。超表面单元相当于半波片，可以将入射的圆偏振光转化为反射的交叉极化圆偏振光，利用控制天线阵列旋转角度，并且在此过程中引入几何相位，相位调控覆盖 0~2π。
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