基于偏振相关超表面透镜的色差调控研究
发布时间：2022-01-16 10:52
偏振是描述电磁波性质的重要物理量,通过分析电磁波的偏振状态,可以获取材料结构和成分组成的细节特征。偏振测量系统通过表征各偏振分量的强度以得到入射光的偏振度、Stokes矢量等信息。传统的偏振探测系统通常需要将偏振器件和其他光电器件相结合。如此设计通常会面临结构复杂、难以集成等问题。超表面是一种由亚波长结构组成的二维人工电磁材料。一方面,它具有超轻超薄、易集成的特点,有望替代传统的光学器件并实现系统的微型化、轻量化。另一方面,通过改变超表面单元结构的空间旋向和尺寸,可实现对电磁波振幅、相位和偏振等参量的灵活调控。因此超表面器件被广泛应用于光场调制及测量技术。其中,超表面器件可以实现偏折,偏振成像等功能,但是存在工作带宽有限和色差的问题;同时也可用于偏振测量技术,但是它们通常针对单个波长的偏振信息探测或者对单一偏振分量响应,多波长入射光的情况同样会出现明显色差。这限制了超表面器件的进一步应用。本文围绕上述问题展开研究,主要内容包括:1.针对圆偏振相关超表面透镜的色差调控问题,在可见光波段设计了一种宽带消色差的超表面聚焦透镜。利用低损耗、高折射率的二氧化钛（Ti O2）...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)四川省
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
负折射率材料与实验原理[35]
??⑸涮澹┑募负尾问?⑿巫春涂占淙∠蚴迪帧Ｕ庑┯裳遣ǔば痴竦ピ??成的超表面比起传统的衍射光学元件不仅可以实现对电场调制，也可以实现对磁场调控。此外，由于其谐振单元通常为亚波长尺寸大小，所以产生的尺寸效应将高阶衍射模式限制在倏逝波的范围内，因此传输波中的高阶衍射可以被消除。但是此时传统光学的折反射定律——Snell定律不再适用于超表面[40]。2014年，哈佛大学FedericoCapasso等人对广义Snell定理进行了巧妙的设计与解释[41]。他们认为光学界面上恒定的相位跃变梯度与海边墙壁高度的线性变化类似，如图1.2（a）。在设计最佳救援路线时，救生员必须考虑沿墙壁爬上爬下的时间，以确定最佳路线。因此必然会导致一条不同于无墙体时的最优路径（图1.2中的黄色实体曲线）。容易理解的是，救生员的最佳救援路线对应着最短的解救时间：相对于路线的微小变化，解救时间应当是是固定不变的。同样地，存在相位突变的实际光路对于总的相位累积来说应该是固定的。因此这个相位稳定不变的定律已经被用来推导控制光传播的广义定律：图1.2三维空间中的广义斯涅尔定理[40,41]Figure1.2Generalizedsnell"stheoremin3Dspace.其中，角度的定义如图1.2（b）所示，dΦ/dx和dΦ/dy分别是平行和垂直于入射面的相位分量，ni和nt是两种传输介质的折射率，k0=2/0为真空中的波数。相位梯度界面可以为透射和反射光子提供沿界面的有效波矢量，根据沿界面的波矢量守恒也可以导出广义的波矢量定律。这些广义定律表明，透射和反射光束可以根据界面相位梯度的方向和大小，以及周围光介质的折射率，在各自的半空间
基于偏振相关超表面透镜的色差调控研究4中向任意方向弯曲。随着研究深入，通过设计超表面不同的微小谐振单元，可以构建出多种多样基于超表面的相位调制分布函数，以实现对光波波前的灵活调控。00001sin()sin()1cos()sin()1sin()sin()1cos()sin()ttiitttiriiirrdnnkdxdnkdydnnkdxdnkdy…(1.1)1.3超表面的应用进展1.3.1超表面全息编码成像技术全息技术作为一种极具革命性的三维光学成像技术，首先记录物光和参考光相互作用产生的干涉条纹，此处的物光是由物体衍射或者散射的电磁波，参考光为原始入射电磁波。这样的干涉条纹包含了物体散射光的全部信息，如相位和振幅等，然后在记录的干涉条纹上施加参考光，就可以完美地重构物体的三维图像。由于全息成像技术能够再现出影像的立体感，并且相比于原物体来说更有着与3D电影完全相同的三维特性从而能够真实的再现物体，因此一提出便成为当前热点的研究课题。随着计算全息与数字全息技术的发展，全息成像逐渐走向研究前沿。正是因为超表面具有超雹结构紧凑及其对光束灵活调控的优异能力，使之成为一种理想的计算全息编码材料。图1.3全息超表面（a）透射型超表面全息图的结构和重建过程[44]；（b）基于几何相位的反射型超表面三维全息图[15]
【参考文献】：
期刊论文
[1]Dual-band and ultra-broadband photonic spin-orbit interaction for electromagnetic shaping based on single-layer silicon metasurfaces[J]. XIN XIE,MINGBO PU,XIONG LI,KAIPENG LIU,JINJIN JIN,XIAOLIANG MA,XIANGANG LUO. Photonics Research. 2019(05)
[2]超表面相位调控原理及应用[J]. 李雄,马晓亮,罗先刚. 光电工程. 2017(03)
本文编号：3592516
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)四川省
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
负折射率材料与实验原理[35]
??⑸涮澹┑募负尾问?⑿巫春涂占淙∠蚴迪帧Ｕ庑┯裳遣ǔば痴竦ピ??成的超表面比起传统的衍射光学元件不仅可以实现对电场调制，也可以实现对磁场调控。此外，由于其谐振单元通常为亚波长尺寸大小，所以产生的尺寸效应将高阶衍射模式限制在倏逝波的范围内，因此传输波中的高阶衍射可以被消除。但是此时传统光学的折反射定律——Snell定律不再适用于超表面[40]。2014年，哈佛大学FedericoCapasso等人对广义Snell定理进行了巧妙的设计与解释[41]。他们认为光学界面上恒定的相位跃变梯度与海边墙壁高度的线性变化类似，如图1.2（a）。在设计最佳救援路线时，救生员必须考虑沿墙壁爬上爬下的时间，以确定最佳路线。因此必然会导致一条不同于无墙体时的最优路径（图1.2中的黄色实体曲线）。容易理解的是，救生员的最佳救援路线对应着最短的解救时间：相对于路线的微小变化，解救时间应当是是固定不变的。同样地，存在相位突变的实际光路对于总的相位累积来说应该是固定的。因此这个相位稳定不变的定律已经被用来推导控制光传播的广义定律：图1.2三维空间中的广义斯涅尔定理[40,41]Figure1.2Generalizedsnell"stheoremin3Dspace.其中，角度的定义如图1.2（b）所示，dΦ/dx和dΦ/dy分别是平行和垂直于入射面的相位分量，ni和nt是两种传输介质的折射率，k0=2/0为真空中的波数。相位梯度界面可以为透射和反射光子提供沿界面的有效波矢量，根据沿界面的波矢量守恒也可以导出广义的波矢量定律。这些广义定律表明，透射和反射光束可以根据界面相位梯度的方向和大小，以及周围光介质的折射率，在各自的半空间
基于偏振相关超表面透镜的色差调控研究4中向任意方向弯曲。随着研究深入，通过设计超表面不同的微小谐振单元，可以构建出多种多样基于超表面的相位调制分布函数，以实现对光波波前的灵活调控。00001sin()sin()1cos()sin()1sin()sin()1cos()sin()ttiitttiriiirrdnnkdxdnkdydnnkdxdnkdy…(1.1)1.3超表面的应用进展1.3.1超表面全息编码成像技术全息技术作为一种极具革命性的三维光学成像技术，首先记录物光和参考光相互作用产生的干涉条纹，此处的物光是由物体衍射或者散射的电磁波，参考光为原始入射电磁波。这样的干涉条纹包含了物体散射光的全部信息，如相位和振幅等，然后在记录的干涉条纹上施加参考光，就可以完美地重构物体的三维图像。由于全息成像技术能够再现出影像的立体感，并且相比于原物体来说更有着与3D电影完全相同的三维特性从而能够真实的再现物体，因此一提出便成为当前热点的研究课题。随着计算全息与数字全息技术的发展，全息成像逐渐走向研究前沿。正是因为超表面具有超雹结构紧凑及其对光束灵活调控的优异能力，使之成为一种理想的计算全息编码材料。图1.3全息超表面（a）透射型超表面全息图的结构和重建过程[44]；（b）基于几何相位的反射型超表面三维全息图[15]
【参考文献】：
期刊论文
[1]Dual-band and ultra-broadband photonic spin-orbit interaction for electromagnetic shaping based on single-layer silicon metasurfaces[J]. XIN XIE,MINGBO PU,XIONG LI,KAIPENG LIU,JINJIN JIN,XIAOLIANG MA,XIANGANG LUO. Photonics Research. 2019(05)
[2]超表面相位调控原理及应用[J]. 李雄,马晓亮,罗先刚. 光电工程. 2017(03)
本文编号：3592516
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/wulilw/3592516.html
