光学模拟计算微型化器件设计及研究

发布时间：2020-05-18 16:24

【摘要】：光学模拟计算器件是指能够对入射的空间光场进行不同的数学运算的器件。近年来,由于纳米光子学和微纳制造工艺逐渐成熟,相关的研究也得到越来越多的关注。这种新型光学器件能够在光场与器件作用的时间内对整个光场实现数学运算功能,理论上会比电子计算器件有更高的速度。本文主要提出了多种光学模拟计算器件的实现方法,并对其应用范围,实验实现,以及改进方向进行探讨。文章首先介绍了光学模拟计算的基本原理,以及与傅里叶光学,模拟电子等学科的关系,同时分析了国内外光学模拟计算的发展现状和趋势,同时总结了目前几种主要的光学模拟计算实现方法以及其对应的不足与局限性。随后我们提出了一种基于多层膜结构的光学模拟计算器件,使用传输矩阵的方法对多层膜层数及厚度等参数进行优化探索,对优化出来的结构使用COMSOL和CST等仿真软件验证了其具有光学模拟计算的效果。另外,通过对不同尺寸的光场,以及不同多层膜结构的器件进行模拟,我们还探究了入射场角谱与器件优化角谱的关系,发现了对于不同尺寸的光场,对光学计算器件运算效果有不同的影响。由此,文章针对不同的入射光场提出了一系列的优化方案,模拟结果也与文章的推论一致。另外,我们也提出了一种基于人工电磁表面结构的光学模拟计算器件并对其进行了实验验证,整个结构能够采用COMOS工艺进行制备,而且能够推广到不同波长中。相比起使用多层膜结构,人工电磁表面结构能够提高器件与光场作用的信噪比,也提高了对结构的鲁棒性,不过设计的灵活性也有所下降。
【图文】：

透镜,入射场,准直透镜,光源

我们这里需要用到阿贝的二次衍射成像理论。根据阿贝成像理论，被观察物逡逑可以看成是一个结构复杂的二维衍射光栅，当用单色平面波照射该物体时，成逡逑像过程可分作两步，如图１．２所示。首先，物平面上发出的光波经物镜，在其后逡逑焦面上产生夫琅和费衍射，得到第一次衍射像；然后该衍射像作为新的相干波源，逡逑由它发出的次波在像平面上干涉而构成物体的像，称为第二次衍射像｜５］。其中图逡逑中Ｏｂｊｅｃｔ为物镜（一次成像），后接的是凸透镜（二次成像），Ｆｏｃａｌ邋ｐｌａｎｅ为逡逑后焦面，Ｉｍａｇｅ为像面（出射光场分布）。在傅里叶光学中，在大多数情况下，逡逑主要使用了双透镜系统（４ｆ系统）实现对空间光场的信息处理，目的是为了在后逡逑焦面上呈现无穷远处夫琅禾费衍射图案。系统的基本组成单元如图１．３所示。逡逑ｈ邋Ｉｎｐｕｔ逦Ｌ２邋Ｆｉｌｔｅｒ逦Ｌ３邋Ｏｕｔｐｕｔ逡逑ｓ（ｘ，ｙ）逦Ｓ＊（ｆｘ，ｆｙ）逡逑图１．３邋４ｆ系统示意图ｗ逡逑这里Ｓ为光源

光学模拟,单元结构,电磁,小组

人工电磁表面等结构的设计［Ｍ６］，２０１４年宾夕法尼亚大学Ｎ．邋Ｅｎｇｈｅｔａ教授领导逡逑的科研小组提出了采用人工电磁材料，仿真实现了光学模拟计算的微型化，集成逡逑化［１７］，其功能与结构如图２．１所示。他们主要的工作为设计了一个亚波长尺寸的逡逑光信息处理系统，由一个人工电磁表面以及两个梯度折射率波导组成。其中梯度逡逑折射率波导作为对入射场傅里叶变换和逆变换元件，人工电磁表面作为空间光滤逡逑波器件，，能够在空间频率面上对光场进行操纵，这里相当于前面４ｆ系统中空间滤逡逑波面，可以引入不同的光学运算功能，从而实现光学模拟计算元件的微型化，集逡逑成化。逡逑（ａ）逦（ｂ）逦Ｍｅｔ娜Ｌｇ逡逑图２．１光学模拟计算示意图［１７］逡逑另外，该小组也指出利用［１４］等文献提出的单层金属单元结构实现的人工电磁逡逑表面理论上效率不够高，他们采用［１８１提出的利用三层的人工电磁传输阵列逡逑ｍｅｔａ－ｔｒａｎｓｍｉｔ邋ａｒｒａｙ邋（ＭＴＡ）结构能够理论上实现１００％的输出效率。该结构主逡逑要利用掺铝氧化锌（ＡＺ０）与硅（Ｓｉ）作为响应单元，通过改变其几何尺寸能够逡逑实现对其透射率的幅值和相位同时调控
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH74

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