石墨烯可调谐相位梯度超表面及电磁耦合惠更斯超表面的研究
发布时间：2020-11-14 04:34
相位梯度超表面可以看作是由亚波长天线单元组成的二维超材料,其厚度要比工作的波长小得多,主要利用局域表面等离子体共振特性来设计天线单元的电磁响应特性,从而在界面处产生相位不连续,它能够对出射波前、光色散特性、偏振甚至频率的完美操控。然而,为了实现对波前的完全控制,需要0到2π范围相移的覆盖。在过去的几年里,很多研究者努力寻找适当的等离子体或介质纳米结构,提供全相位响应的覆盖并同时保持较高的散射效率。近年来,越来越多的人致力于性能可调谐的光学超表面的研究,因为它们可用于制备一些功能动态可调的光器件。本论文主要研究基于石墨烯的可调谐相位梯度超表面以及电磁耦合作用超表面。首先介绍了石墨烯的光学特性及其光学仿真模型,紧接着讨论了偶极子阵列模型;进一步,提出了所研究的金属-介质-石墨烯天线结构单元,并利用FDTD Solutions软件对其电磁响应特性进行研究。理论计算结果表明:改变费米能级可以实现天线的0-2π相位响应的调控;通过改变石墨烯条带天线施加电压的分布实现了光束扫描和将入射平面光束耦合为表面波的多重功能;我们还设计了透镜焦距可从20到100μm切换的可变焦柱透镜。这为动态可调谐超表面器件的设计提供了一种可行的方法。其次,我们提出了基于双层互补结构的电磁耦合作用相位梯度超表面。并借助光学纳米电路模型来分析该结构的垂直、横向耦合效应和共振特性。计算结果表明:在不改变尺寸或方向角的情况下,两个纳米结构之间的位错引起的电磁耦合效应足够实现波前的操控。利用这种结构我们设计了一个工作在低频耦合模式下的反射式梯度超表面以及工作在电共振和磁共振的频谱重叠位置的高透射率惠更斯超表面。所提出电磁耦合作用超表面是一种新型的等离子体超表面,它具有增强光与物质相互作用的特点。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN820
【部分图文】：
如图 1.1（a）所示，入射平面波以一定角度 θi入射电磁波可以引入沿着 x 方向的相位梯度 dφ/dx，由于相位梯在角度 θr和 θt处的异常反射和折射。相位梯度的存在使得和反射定律[13]：( ) ( )( ) ( )( )sin sin2( )sin sin2t t i ir r i id xn ndxd xn ndxλ θ θπλ θ θπ = =（1-1）入射空间、反射空间和透射空间的折射率，并且 nr= ni。度超表面”的概念并不新鲜，例如我们耳熟能详的有源相），亦即相位控制电子扫描阵列天线[16]，相控阵雷达是通过的馈电相位来改变辐射方向图的形状；控制相位可以改变，以达到波束扫描的目的[17]。相控阵雷达本质上利用的就(b)(c)
图 1.2 波前整形应用（a）无色散透镜[24]；（b）全息图[27]；（c）涡旋光发生器[12]超表面另一个有趣的应用是：计算机生成的全息图（Computer GeneratedHolography, CGH）的实现，需要借助计算机精细地设计相位、幅度和偏振响应以获得高质量空间全息图像。互补的 V 形结构可以被用来引入可控的相位和幅度分布，实现可见光全息图的构建，其效率为 10％[26]。PB 相位超表面由于其优越的相位控制特性，被广泛用于全息图设计[27]，例如：三维光学全息摄影术，所需的相位轮廓可以通过旋转的亚波长纳米棒天线来实现。如图 1.2（b），为增强全息成像转换效率，Zhang Shuang 课题组进一步采用了多层结构，将一个金属背板引入到 PB 相位超表面上[27]，并且将每一个共振纳米棒天线的长轴和短轴设计成具有 π 相位差，用于优化两个圆偏振状态之间的转换效率。所构建的全息超表面在 630-1050nm 的波段中衍射效率大于 50％，其中最大值在 825nm 处为 80％。之后的研究者多用这种结构来构建全息图。复用技术是全息超表面目前研究的方向，如目前已经报道的螺旋性复用全
图 1.3 偏振控制与检测（a）基于超表面的半波片[29]；（b）空间光偏振分析仪[30]偏振分析仪（Polarimeters）可以直接测量电磁波的偏振状态，在科技领域有着重要的应用，这是因为偏振状态携带了材料的组成和结构的关键信息。传统的偏振分析仪需要测量六个光强度（即：x、y 偏振分量，±45o偏振分量，左、右旋偏振分量强度）来确定其斯托克斯参数。通常，偏振分析仪是由一组适当排列的偏振探测元件（例如偏振片和波片）组成，分别测量透过这些偏振元件的光强度来确定斯托克斯参数。因此，基于传统分立光学元件的偏振分析仪通常体积庞大、价格昂贵，并且其光学系统复杂，这违背了光学系统一体化和小型化的发展趋势。近年来，由于超表面的设计灵活性和紧凑性，超表面偏振分析仪越来越受到研究人员的广泛关注。图 1.3（b）是一个分光偏振分析仪[30]，它将不同的入射偏振和频谱分量分到不同的方向，从而进行偏振态的测量。分光偏振分析仪集成了六个不同的反射式间隙等离激元（GSP）超表面（排列成 2×3 阵列），分别对应水平偏振（0o），垂直偏振
【参考文献】
本文编号：2883083
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN820
【部分图文】：
如图 1.1（a）所示，入射平面波以一定角度 θi入射电磁波可以引入沿着 x 方向的相位梯度 dφ/dx，由于相位梯在角度 θr和 θt处的异常反射和折射。相位梯度的存在使得和反射定律[13]：( ) ( )( ) ( )( )sin sin2( )sin sin2t t i ir r i id xn ndxd xn ndxλ θ θπλ θ θπ = =（1-1）入射空间、反射空间和透射空间的折射率，并且 nr= ni。度超表面”的概念并不新鲜，例如我们耳熟能详的有源相），亦即相位控制电子扫描阵列天线[16]，相控阵雷达是通过的馈电相位来改变辐射方向图的形状；控制相位可以改变，以达到波束扫描的目的[17]。相控阵雷达本质上利用的就(b)(c)
图 1.2 波前整形应用（a）无色散透镜[24]；（b）全息图[27]；（c）涡旋光发生器[12]超表面另一个有趣的应用是：计算机生成的全息图（Computer GeneratedHolography, CGH）的实现，需要借助计算机精细地设计相位、幅度和偏振响应以获得高质量空间全息图像。互补的 V 形结构可以被用来引入可控的相位和幅度分布，实现可见光全息图的构建，其效率为 10％[26]。PB 相位超表面由于其优越的相位控制特性，被广泛用于全息图设计[27]，例如：三维光学全息摄影术，所需的相位轮廓可以通过旋转的亚波长纳米棒天线来实现。如图 1.2（b），为增强全息成像转换效率，Zhang Shuang 课题组进一步采用了多层结构，将一个金属背板引入到 PB 相位超表面上[27]，并且将每一个共振纳米棒天线的长轴和短轴设计成具有 π 相位差，用于优化两个圆偏振状态之间的转换效率。所构建的全息超表面在 630-1050nm 的波段中衍射效率大于 50％，其中最大值在 825nm 处为 80％。之后的研究者多用这种结构来构建全息图。复用技术是全息超表面目前研究的方向，如目前已经报道的螺旋性复用全
图 1.3 偏振控制与检测（a）基于超表面的半波片[29]；（b）空间光偏振分析仪[30]偏振分析仪（Polarimeters）可以直接测量电磁波的偏振状态，在科技领域有着重要的应用，这是因为偏振状态携带了材料的组成和结构的关键信息。传统的偏振分析仪需要测量六个光强度（即：x、y 偏振分量，±45o偏振分量，左、右旋偏振分量强度）来确定其斯托克斯参数。通常，偏振分析仪是由一组适当排列的偏振探测元件（例如偏振片和波片）组成，分别测量透过这些偏振元件的光强度来确定斯托克斯参数。因此，基于传统分立光学元件的偏振分析仪通常体积庞大、价格昂贵，并且其光学系统复杂，这违背了光学系统一体化和小型化的发展趋势。近年来，由于超表面的设计灵活性和紧凑性，超表面偏振分析仪越来越受到研究人员的广泛关注。图 1.3（b）是一个分光偏振分析仪[30]，它将不同的入射偏振和频谱分量分到不同的方向，从而进行偏振态的测量。分光偏振分析仪集成了六个不同的反射式间隙等离激元（GSP）超表面（排列成 2×3 阵列），分别对应水平偏振（0o），垂直偏振
【参考文献】
相关期刊论文 前2条
1 杨晓霞;孔祥天;戴庆;;石墨烯等离激元的光学性质及其应用前景[J];物理学报;2015年10期
2 孙树林;何琼;肖诗逸;许钦;李欣;屈澈;周磊;;梯度特异介质表面研究进展[J];激光与光电子学进展;2013年08期
相关博士学位论文 前1条
1 闵力;超材料电磁共振及调控机理研究[D];华中科技大学;2016年
本文编号：2883083
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