高折射率介质微纳结构的光场调控研究

发布时间：2020-10-10 03:37

　　光场调控一直是重要的基础光学研究领域之一,在光信息、激光领域具有重要应用。其研究内容涵盖对光场相位、振幅和偏振调控的新机理和新方法。纳米科学和纳米加工技术的进步提供了丰富多样的微纳结构,极大地促进了纳米尺度光场调控的研究。由于金属表面等离激元共振具有强的局域电磁场增强效应,利用金属微纳结构对光波的电共振响应所开展的光场调控研究已经取得了丰富的研究成果。但是,受限于金属固有的欧姆损耗,基于金属结构的光场调控器件一般损耗大、调控效率低。近年来,高折射率介质微纳结构在光场调控领域受到了越来越广泛的关注。除了具有低损耗特性外,高折射率介质微纳结构对光波的磁响应特性为光场调控提供了一个额外的维度,从而提升了对光场调控的能力。本论文主要围绕高折射率介质微纳结构的光场调控开展研究工作:从单个介质颗粒的光场调控特性入手,然后拓展到颗粒阵列构成的超表面。本论文的主要研究工作如下:1.研究了单个介质纳米立方体的散射特性,明确其内部的电偶极共振和磁偶极共振。通过选择合适的工作波长使得电偶极模式和磁偶极模式等振幅等相位来实现单向散射。通过改变颗粒的几何尺寸来使得电偶极峰和磁偶极峰重叠达到在共振位置处的单向散射。进一步地,通过将上述颗粒串成链可以实现宽谱的单向散射。2.基于偶极-偶极相互作用模型,研究了硅纳米二聚体在高斯光入射下的散射特性。该远场散射场是由颗粒内部感应的电磁偶极子的辐射场的干涉引起的,与二聚体相对高斯光束的位置有关。通过改变二聚体与入射场的相对位置可以实现对远场散射的调控进而实现单向散射。反过来,通过测量远场散射场的横向对比度,可以确定颗粒相对于入射场的位置。基于此,我们提出了一种新型的光学校准和纳米尺度的位移测量手段。3.基于琼斯矩阵研究了由不同尺寸以及不同旋向的硅颗粒组成的超表面的透射特性。给出两种方法分别基于极化率张量半解析方法和时域有限差分数值方法用于获取超表面的琼斯矩阵。通过选取合适的颗粒以及相应的面内排布,实现了任意的波前分布。基于此设计了两类超表面分别用于生成径向/角向偏振光(偏振调控)和Airy光束(相位调控)。4.基于结构的对称特性,系统地将超表面进行了归类并关联其对应的琼斯矩阵以及其独有的本征矢。基于此,我们设计了一种双层超表面,其本征矢为圆偏振光,用于实现旋光效应。不同于传统旋光材料通过增加传播方向的长度来增大出射偏振角的旋转,该双层超表面结构可以通过改变结构的横向尺寸实现出射偏振角的旋转,其角度偏转可以从-90°变化到90°。这项工作提供了一种新型偏振转化器的设计思路。本论文的创新点和特色:1.发展了一种基于极化率张量的半解析的方法用于分析纳米结构的散射特性以及该结构组成的超表面的透射反射特性。该方法适用于颗粒的结构尺寸远小于入射光波长。2.提出了一种基于介质纳米二聚体和高斯光束相互作用的纳米位移测量方法。通过测量横向散射场的对比度,就可以确定该纳米二聚体相对于入射场中心的位置。该方法的测量精度可以达到十纳米左右,并且可以通过使用HG10模高斯光入射来增加。3.基于超表面的对称特性,对超表面进行了系统的分类并关联其独有的琼斯矩阵,提出并设计了介质双层超表面实现了巨大的旋光效应。不同于传统旋光材料通过增加传播方向的长度来增大出射偏振角的旋转,该超表面可以通过改变结构的横向尺寸实现出射偏振角的旋转,其角度偏转可以从-90°变化到90°。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O43
【部分图文】：

实验测量,硅球,暗场,模式

直接支持磁偶极模式，并且该模式的共振位置可以直接通过调节硅球的半径来逡逑移动。该磁偶极模式是Ｍｉｅ式散射的一阶共振峰，是一种腔模并且大部分能量逡逑局域在球形内部。图１．１（４展示了该磁模式的来源并且同劈裂圆环做了相应的对逡逑比，如图１．１（ｃ）所示。对于这两类共振结构来说，光致磁响应皆来源于结构内部逡逑很强的环形位移电流，同时也导致了结构内部很强的磁场增强。逡逑就在理论预测不久之后，实验上也在验证可见光波段的硅球支持的光致磁逡逑响应方面做出了重大突破图１．１（ｅ）和１．１（／）显示了硅球颗粒的ＳＥＭ图以逡逑及在暗场下的像。可以看到在暗场下，单个硅球的散射谱有两个明显的峰，分别逡逑对应电偶极峰和磁偶极峰，如图１．１Ｇ）所示。紧接着上述的工作，其他的一些实逡逑验工作在可见光波段或近红外波段也相继证明了硅材料结构内部支持光致磁响逡逑应逡逑１．１．２．利用磁响应调控远场散射逡逑对于单个颗粒而言，研究其对光场的调控，更多的关注颗粒对光场的散射。逡逑众所周知，由于电响应和磁响应之间的相互作用，在散射体系中引入磁场共振会逡逑给远场的散射提供一个额外的维度。例如

散射谱,介质球,金属球,壳结构

上述的讨论都是基于偶极共振模式的干涉，要求颗粒内部的偶极模式的强逡逑度远远大于高阶极子模式的强度。但是在某些波段偶极近似就不再适用，高阶模逡逑式的作用需要被考虑进去柯４２，４３］。图１．５＾和图１．４问中相同结构在另一个波段逡逑的散射谱。在这个波段电偶极子的贡献可以忽略不计，磁偶极子和电四极子占主逡逑要作用。电四极子共振的中心波长在８８７ｎｍ处，在共振处的相位分布变了一个逡逑符号，导致在共振前后的远场散射图样发生极大的变化，如图１．５（６）和１．５（ｃ）所逡逑示＿。逡逑在偶极点源激发的情况下，颗粒内部感应出的模式常常伴随着高阶极子模逡逑式的出现。因此处理点源激发情况下光致磁响应调控光场散射的问题时往往需逡逑要考虑高阶模式的贡献。图Ｉ．５（ｒｆ）展示了利用高折射率介质球调控偶极子辐逡逑射的示例。图１．５（ｅ）展示了在仅考虑偶极辐射项和仅考虑四极辐射项下，在频率逡逑／邋＝邋９．７４Ｇｉｆ＿ｚ处ｒｃ邋—ｚ面内的远场散射图样。图丨．５（／）更加详细的计算了邋２０个逡逑极子叠加的情况以及实验结果。可以看到仅考虑偶极辐射的情况，远场散射的结逡逑果和实验结果不吻合，而在考虑了更高阶的极子的贡献后，理论模型和实验结果逡逑就保持了一致。逡逑６逡逑

示意图,核介质,散射谱,纳米线

宽谱的连续背景态和分立态之间的干涉导致的＾￣＾。类似于金属团簇结构，介逡逑质颗粒组成的团簇结构同样会出现法诺共振效应。同时涉及到电磁偶极模式的逡逑法诺共振会展示出只涉及单个电模式时所没有的特性［４７］。图１．６展示了金属球心逡逑介质球壳一维阵列的散射示意图。同图１．４（ｄ）中类似，该纳米颗粒被设计成在逡逑１０９６ｎｍ处同时支持电磁偶极模式的共振。众所周知，这种阵列支持法诺共振来逡逑源于单个颗粒的宽谱共振和整个阵列的窄带共振的干涉。如果单个颗粒只支持逡逑电偶极模式或者磁偶极模式，比如金属颗粒或者高折射率介质颗粒在某个波长逡逑处，产生的法诺共振是强烈的依赖于偏振的［４７］。单个颗粒同时支持两个模式并逡逑且在共振处重叠的话，那么该法诺共振就与偏振无关。逡逑法诺共振也可被单独的磁响应激发【４Ｓ］。图１．６（ｃ）展示了法诺共振来源于硅六逡逑聚体的宽谱背景态和单个硅球的窄的分立ｉ之间的干涉。金属颗粒组成的结构逡逑７逡逑

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