基于超表面的红外偏振相关电磁调控研究

发布时间：2020-05-19 18:19

【摘要】：利用偏振光和物质的相互作用,可以对偏振光的相位、振幅等电磁参量进行调控,这种偏振相关的电磁调控在通信、显示、探测等领域中均有广泛应用。传统上,要实现此类调控,往往要将偏振器件和其他光电器件结合使用。如此设计的系统一般复杂庞大,难以集成。随着微纳加工及其表征技术的进步,涌现出多种性能优异的人工电磁器件。其中,超表面作为一种超薄的平面人工电磁器件,具有亚波长尺度上的灵活电磁调控能力。与传统技术相比,基于超表面的偏振相关电磁调控,既能大大拓展这类调控可以实现的功能,又有利于促进相关光学系统的微型化、集成化。本文利用相位调控型超表面,针对中红外偏振相关电磁调控中存在的偏振响应单一等问题开展相关研究。论文的主要研究内容包括:1.针对在中红外波段,传统偏振相关电磁调控能力有限这一问题,设计了一种偏振复用的调制光学涡旋生成器件。提出了一种基于超表面的新的光学涡旋调制方法,即通过在螺旋相位中引入正切调制因子,实现对光学涡旋强度分布的调制。该调制光学涡旋具有与传统光学涡旋迥异的辐射状强度分布。为表征此功能,设计了一种单层透射式全介质超表面。该超表面加工工艺简单,并能简化实验光路。实验测试表明,在10.6μm正交线偏振光入射下,设计的超表面可分别生成环状和辐射状的光学涡旋。通过调节入射光的偏振角,可以动态调整光学涡旋的强度图案。该工作在光学微操控等领域有潜在应用价值。2.使用SiO_2、Si等传统光学材料制造的偏振相关电磁调控超表面,在改变组成材料的光学性质后,原有设计功能往往会失效。针对这一问题,通过引入相变材料GST,我们设计了一种中红外宽带(9.7μm~11.5μm)可切换分束超表面。测量了GST介电常数并研究了影响其相变行为的因素,在此基础上构建了基于GST的反射式光栅型单元结构。结合几何相位调控方法,设计了单元结构呈棋盘式排布的超表面。仿真结果表明,垂直入射圆偏振光或线偏振光时,该超表面在GST为非晶态时会实现均匀分束,在GST为晶态时实现镜面反射,具有可切换分束功能。该工作对设计新型虚拟赋形器件具有一定借鉴意义。3.一般的偏振相关超表面通常只针对单一的偏振分量响应,为解决这一问题,设计了一种对多偏振分量实时成像的超表面。结合传输相位和几何相位调控两种方法,优化筛选出两类全硅单元结构,每类单元可对一组正交线(圆)偏振光实现独立相位响应。设计超表面时,采用离轴聚焦相位分布,并将两类单元逐行交叉排布。实验采用10.6μm激光主动照明方式,实现了多偏振分量分焦平面成像。该超表面可以同时实现对多偏振分量的过滤、分束、聚焦(成像),有利于提高实时偏振成像系统的集成性。
【图文】：

冰洲石,双折射现象

图 1.1 冰洲石的双折射现象Figure 1.1 Birefringence of calcit，法国科学家 Malus 做出了关于偏振现象的重要发现[3]璃窗上，他观察到，若入射角达到某特定值，反射光与具有类似的性质。他称这性质为“偏振”[4]。之后,他又 Malus 定律。1817 年前后，Fresnel 与 Arago 一起研究了的影响，但他们认为光波是纵波，呈纵向振荡。而纵波果进行合理解释。Thomas Young 建议，如果假设光波是波可在振荡面内分解为两个相互垂直的分量，或许可对。受此启发，之后二人将实验结果定性总结为 Fresnel-不同偏振态的光之间的干涉特性[5]。之后，Fresnel 试图进行定量表述。他使用 Fresnel-Huygens 积分来解决衍射问

示意图,椭圆偏振仪,原理,示意图

其他光学现象建立了稳固的理论基础。偏振相关电磁调控的基本概念文所讨论的偏振相关电磁调控（以下简称偏振电磁调控）这一概光的频率、相位、振幅等电磁参量的调控。对偏振光电磁参量的用光的偏振特性，对一些物理量进行测量，或对偏振光进行操控以。用偏振电磁调控可以实现物理量的测量。例如，利用椭圆偏振法可光学常数,主要为薄膜的折射率 n 及厚度 d。图 1.2 是典型的椭圆偏示意图。光源通过起偏器和波片入射到待测样品上，反射光一般为这是由于其 s 分量（电场强度垂直于入射面）、p 分量（电场强度的振幅反射系数sr 、pr 一般为复数。反射的椭圆偏振光的、反学特性。令椭圆函数表征椭圆偏振光，有
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O436.3

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