光学波段介质超表面透镜的研究
发布时间：2021-03-18 18:56
信息科技的迅速发展让这个世界日新月异,人类智慧的结晶渗透于生产生活的方方面面,而各类光电信息设备也正一步步趋向于一体化,微型化,集成化。对于光学器件而言,从原先的庞大笨重,到不断突破传统工艺和物理极限,一些超越自然材料性质的人为设计纳米亚波长微结构—超表面应运而生。超表面,一定意义上可以称之为超材料的二维形式,它凭借自己独特的优势,成为相关研究领域的热点。传统的均匀介质透镜,通常利用其特殊的球面结构对出射的电磁波进行操控。超表面透镜巧妙地融合了超表面结构的优势于透镜,使透镜的研究进入了一个崭新的阶段。与金属天线超表面透镜相比,介质超表面透镜在光学波段有更好的光学特性,具有更小的欧姆损耗,更具有优越性。本文主要在圆偏振光学的前提下,基于不同材料、不同形状的纳米天线结构,设计了不同光学波段、不同应用场景的介质超表面透镜,具体研究内容如下:1.利用矩形硅纳米天线,通过高度变化对相位进行调控设计了一种工作在近红外波段的透射型全介质超表面透镜。基于谐振相位理论,改变硅纳米天线的几何参数,在950nm入射波长下实现了矩形硅纳米天线超表面透镜结构的有效聚焦。经过验证,这种结构在...
【文章来源】：郑州大学河南省 211工程院校
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
V型金属天线设计的超表面(a)负折射率超表面，(b)涡旋相位板[39]
1绪论4次利用V型纳米天线实现了对波前的灵活控制，成功完成线极化入射波到高质量圆极化入射波的转换[40]。所设计的四分之一波片经实验验证，能够在5μm—12μm波长范围内产生转换程度大于0.97的圆偏振光波。成功将理论与实验相结合，印证了通过控制光学纳米天线阵列，可以实现对光波波前的随意调控。与之前所设计的基于等离子体波片相比较，在性能上有了重大进步。同年，台湾大学的SunSL研究团队利用长方体纳米结构微单元，设计了一种三层反射式超表面结构[41]，对入射光波和出射光波之间的异常反射行为进行了研究和分析。这种结构与透射结构相比，是在衬底底部添加了一层金属结构，光波通过时，会在金属结构和衬底之间形成谐振腔。金属材料对光的透射极小，故而使反射效率得到有效提高。该研究采用长度各异的长方形金属纳米柱阵列构成相位梯度分布，制成了工作在850nm波长条件下的反射超表面。图1.2(a)基于等离子超表面的四分之一波片[40]，(b)高效率宽带异常反射超表面的三层反射式阵列[41]最初，光全息技术一方面利用物体光和参考光的彼此干涉来得到图片中的信息，另一方面也可以利用计算全息来实现相同目的，最后在空间光调制器里记录提取的相位和幅度等信息。2013年，英国伯明翰大学的研究团队通过金属棒纳米天线设计透射型超表面[42]，实现了与空间光调制器同样的功能，将图像信息通过三维全息显示出来,如下图所示。这种结构是基于几何相位原理设计的，将金属纳米棒状天线进行不同角度的旋转可以实现相应的相位值。不同的单元构成阵列实现对出射波波前的有效控制。该超表面结构在一定程度上能够对多重衍射级次的出现进行避免，继而改善成像质量。
1绪论5图1.3全息结构和图像重构进程[42]偏振态是电磁波传播和计算过程中的一个关键参量，也是其本身的重要特性之一。研究表明，超表面产生人工双折射的能力是比较出众的。通过改变方向，可以形成自由选择的不同空间折射率，在宽带谱中的透射效率可高达97%。2013年，NathanielK.Grady及其研究团队利用金属线纳米结构在太赫兹波段实现了一种具有宽带特性且高效的偏振转换器件[43]。在0.8THz~1.36THz波段，该结构在反射状态下能有效完成正交偏振态的转换，其效率可达80%左右。同时，对于0.52THz~1.82THz波段的电磁波，利用该结构透射形式设计的超表面也可实现偏振态的正交变换，效率高于50%。图1.4太赫兹波段偏振转换器[43](a)晶胞示意图，(b)仿真结果
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于介质超表面的径向偏振贝塞尔透镜[J]. 陈俊妍,张飞,张明,蔡吉祥,欧奕,喻洪麟. 光电工程. 2018(11)
[2]单层超薄高效圆极化超表面透镜[J]. 郭文龙,王光明,李海鹏,侯海生. 物理学报. 2016(07)
硕士论文
[1]全息光子准晶纳米腔和滤波器的结构设计和性能研究[D]. 任杰.郑州大学 2018
本文编号：3088770
【文章来源】：郑州大学河南省 211工程院校
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
V型金属天线设计的超表面(a)负折射率超表面，(b)涡旋相位板[39]
1绪论4次利用V型纳米天线实现了对波前的灵活控制，成功完成线极化入射波到高质量圆极化入射波的转换[40]。所设计的四分之一波片经实验验证，能够在5μm—12μm波长范围内产生转换程度大于0.97的圆偏振光波。成功将理论与实验相结合，印证了通过控制光学纳米天线阵列，可以实现对光波波前的随意调控。与之前所设计的基于等离子体波片相比较，在性能上有了重大进步。同年，台湾大学的SunSL研究团队利用长方体纳米结构微单元，设计了一种三层反射式超表面结构[41]，对入射光波和出射光波之间的异常反射行为进行了研究和分析。这种结构与透射结构相比，是在衬底底部添加了一层金属结构，光波通过时，会在金属结构和衬底之间形成谐振腔。金属材料对光的透射极小，故而使反射效率得到有效提高。该研究采用长度各异的长方形金属纳米柱阵列构成相位梯度分布，制成了工作在850nm波长条件下的反射超表面。图1.2(a)基于等离子超表面的四分之一波片[40]，(b)高效率宽带异常反射超表面的三层反射式阵列[41]最初，光全息技术一方面利用物体光和参考光的彼此干涉来得到图片中的信息，另一方面也可以利用计算全息来实现相同目的，最后在空间光调制器里记录提取的相位和幅度等信息。2013年，英国伯明翰大学的研究团队通过金属棒纳米天线设计透射型超表面[42]，实现了与空间光调制器同样的功能，将图像信息通过三维全息显示出来,如下图所示。这种结构是基于几何相位原理设计的，将金属纳米棒状天线进行不同角度的旋转可以实现相应的相位值。不同的单元构成阵列实现对出射波波前的有效控制。该超表面结构在一定程度上能够对多重衍射级次的出现进行避免，继而改善成像质量。
1绪论5图1.3全息结构和图像重构进程[42]偏振态是电磁波传播和计算过程中的一个关键参量，也是其本身的重要特性之一。研究表明，超表面产生人工双折射的能力是比较出众的。通过改变方向，可以形成自由选择的不同空间折射率，在宽带谱中的透射效率可高达97%。2013年，NathanielK.Grady及其研究团队利用金属线纳米结构在太赫兹波段实现了一种具有宽带特性且高效的偏振转换器件[43]。在0.8THz~1.36THz波段，该结构在反射状态下能有效完成正交偏振态的转换，其效率可达80%左右。同时，对于0.52THz~1.82THz波段的电磁波，利用该结构透射形式设计的超表面也可实现偏振态的正交变换，效率高于50%。图1.4太赫兹波段偏振转换器[43](a)晶胞示意图，(b)仿真结果
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于介质超表面的径向偏振贝塞尔透镜[J]. 陈俊妍,张飞,张明,蔡吉祥,欧奕,喻洪麟. 光电工程. 2018(11)
[2]单层超薄高效圆极化超表面透镜[J]. 郭文龙,王光明,李海鹏,侯海生. 物理学报. 2016(07)
硕士论文
[1]全息光子准晶纳米腔和滤波器的结构设计和性能研究[D]. 任杰.郑州大学 2018
本文编号：3088770
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/wulilw/3088770.html
