多波长及宽带超表面色散特性研究

发布时间：2020-06-25 22:48

【摘要】：超表面是一种由亚波长结构构成的二维新型材料。一方面,其具有超轻超薄的性质,有望替代传统材料实现光学器件的小型化、轻型化。另一方面,超表面能在亚波长尺度进行电磁波的相位、振幅和偏振调控,可以人为设计和控制对特定波长、偏振的电磁响应,利用超表面可以实现传统光学器件难以实现的功能,在器件的集成化上也有着无与伦比的潜力。自超表面提出以来,已成功实现了包括对光束整形和控制、特殊光束产生、全息复现等多种功能,在成像、探测、光谱、加工等领域中有着广泛的应用前景。然而,超表面大面积加工问题、电磁损耗、色差等仍是超表面进一步应用的主要限制因素。本论文中主要针对超表面的色差特性进行了研究。近年来,国内外研究小组提出了一些对超表面的色散、色差的控制和补偿的方法。由于波长的离散化,共振对入射角等参数的苛刻要求等问题,这些方法仍然难以解决超表面在成像、通信等领域中应用的实际问题。针对超表面的色散特性以及色差问题,本论文展开了基于超表面色散特性和色差调控的研究,论文研究内容主要包括:1、设计了一种工作在太赫兹波段的偏振无关的超表面,通过微透镜阵列激光加工方法快速高效地加工实现了基于PEN柔性基底的超表面带阻滤波器,实验表征得到单层和级联带阻滤波的带宽分别为0.291THz和0.461THz。通过数值模拟和理论分析,厘清了单元结构之间相互的耦合效应与单元结构的振幅色散特性之间的关系,为不同带宽的相关器件设计奠定基础。2、提出了一种利用材料色散和结构色散相互补偿实现消色差平面光学器件的设计方法,建立了以金属-绝缘体-金属亚波长结构的消色差数理模型,详细分析了超表面和传统光学中消色差设计的异同,通过理论计算和数值仿真实现了波长从1μm至2μm的连续超宽带消色差偏折和聚焦超表面器件。3、利用偶极子光天线的无色散相位调控性质结合多波长离轴照明技术,实现了超表面彩色全息。通过空间频谱控制实验实现了二维和三维彩色图像的高质量复现。该方法实现了超表面空间频谱的充分利用,展现了超表面在空间频谱操控上传统光学器件难以企及的优势。4、提出了利用超表面的色散性质和偏振响应性质,建立可实现轨道角动量、波长和偏振同时分离与合束的超表面器件的理论模型,通过单个超表面实现了空分复用、波分复用和偏振复用的集成。通过模拟仿真和初步试验,验证了该器件的复用与解复用功能。
【学位授予单位】：中国科学院光电技术研究所
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN713;TN929.1
【图文】：

装置图,微波波段,负折射,装置图

多波长及宽带超表面色散特性研究获得卫星用轻量化的微波天线透镜，研究了相应的人工介电质[7]。1967 年，前苏联物理学家 V.G. Veselago 发表了探究介质与光波中的磁场分量相互作用问题的论文，指出根据介电常数（ε）和磁导率（μ）的符号 (正或负) 标定不同的介质，首次从理论上研究了双负材料——即介电常数和磁导率都为负的材料（ε<0和μ<0），他给出麦克斯韦方程的解，并说明介质的折射率为负值，称之为左手材料，后来也被称为负折射率材料[8]。但由于自然界中在任何波段都不存在这种天然的左手材料。尽管可见光波段的介电常数和微波段的磁导率可能为负，但是没有“双负”材料的存在，该理论研究成果在之后的 30 多年没有引起广泛关注，甚至还受到质疑。导致这 30 多年里，关于左手材料的研究几乎没有获得进展[9]。

关系图,斯涅耳定律,广义,关系图

光线在 x-z 平面内从一个与 x 轴角度成θi入射时，广义折射定律可( ) ( )( ) ( )001 dsin sind1 dcos sindt t i it t tn nk xnk yφθ θφθ = = 义反射定律可以被表述为：( ) ( )( ) ( )001 dsin sind1 dcos sindi r i ii r rn nk xnk yφθ θφθ = = ni和 nt分别为入射（反射）空间和出射空间折射率，θt和θr分别为角，为超表面的相位分布。通过相位排布可以实现对透射和反方向进行调制，用于光学器件的设计时，仅仅通过一个超薄表面光束偏折、聚焦等功能。

【相似文献】