基于超表面的光学几何相操控原理及器件研究

发布时间：2020-09-01 10:07

　　传统的光学器件,如棱镜、透镜和螺旋相位板,依赖光在传输过程中的相位积累去产生期望的波前。一般这类光学器件具有不规则的几何外形和较大的体积,不利于器件的微型化和集成化。超表面是一类缩减维度的超常材料,可以引入突变的界面相位不连续,实现对电磁波的相位、幅度和偏振的完全控制。光学超表面具有的超薄和平面几何特性,使基于超表面的器件易于和其他光学器件集成发展紧凑的多功能光学器件。超表面引入的界面突变的相位可以是自旋无关的,也可以是自旋相关的相位,即Pancharatnam-Berry相位。左旋和右旋圆偏振光入射到Pancharatnam-Berry相超表面上,获得共轭的附加相位。在这个共轭的附加相位的作用下,入射的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光具有不同的传输行为。基于金属谐振子的反射型超表面可以实现很高的衍射效率。由于金属的欧姆损耗,基于金属谐振子的传输型超表面很难获得高的传输效率。全电介质超表面可以引入界面突变的相位,这类超表面不存在金属的固有欧姆损耗,以致传输型的全电介质超表面可以实现很高的传输效率。实现高的传输效率是器件迈向实际应用过程的关键的一步。本论文首先研究基于电介质超表面的Pancharatnam-Berry相调控机理,进而发展基于电介质超表面的自旋光子学器件,如:光子自旋分离器、轴向自旋相关的多焦点透镜、光子自旋滤波器。相关的研究工作具体如下:1.实现光子自旋相关的分裂,分裂后的光斑的强度图案可以任意构造。以前关于光子自旋分离器的工作,都是致力于两种自旋态光子的分裂,没有考虑分裂后的自旋相关的光斑图案。而实际应用中往往需要特殊形状的自旋相关的光斑。这里利用空间光调制器和电介质超表面的组合,实现了任意强度图案的自旋分裂。首先理论计算了两种圆偏振分量分离的距离和超表面光轴一维旋转率及传输距离的定量的关系。以典型的光强分布如:涡旋光束、厄米光束和艾里光束及特殊的符号为例,来演示分离的强度图案的性能。分离后的自旋相关的光斑图案可以是一样的,也可以不一致。进一步实验演示了分离的光斑呈现两种不同的强度分布。实现的分离后的自旋相关的强度图案的质量非常好,其原因可以归结于电介质超表面的传输效率和转换效率高。设计的自旋分离器可以用于分析入射光的自旋态。相关结果在信息处理和自旋加密方面有一定的应用前景。2.基于Pancharatnam-Berry相超表面,实现轴向自旋相关的多焦点。随着信息量的急剧增长,以及人们对通信速度提出了更高要求,导致通信系统变得越来越复杂。因此,发展紧凑的、集成的光子学器件,显得非常急切和重要。构成光通信系统的器件主要由玻璃制作的。将Pancharatnam-Berry元件直接集成到玻璃里面,具有重要的科学价值和实际应用价值。本文以Pancharatnam-Berry相透镜和传统的动力学相透镜集成为例子进行实验演示。集成透镜在传输边沿轴向形成自旋相关的多焦点。与传统透镜只有单极性不同,这里通过控制入射光子的自旋态,焦点的强度和自旋态都可控。该透镜可能在3D成像、粒子操控和光通信系统中具有潜在的应用价值。方法可以方便的拓展到光纤和激光腔中,直接产生轨道角动量模,用于基于轨道角动量的光通信中。3.基于两个Pancharatnam-Berry相超表面,实现光子自旋滤波。光子自旋为控制光提供了一个新的自由度。操控光子自旋是利用这一新的自由度的基础。很多工作都致力于光子自旋操控,如光子自旋霍尔效应。然而,由光子自旋霍尔效应导致的两种圆偏振分量的横向移位非常小。为了探测这个小的的移位,常常需要借助量子弱测量技术。超常材料为增强两种圆偏振分量的分离距离提供了机遇,但是从这两种分离的自旋分量中提取出一种期望的自旋分量还是存在难度。受自旋电子滤波器和空间滤波器的启示,提出并实验演示了基于电介质超表面的自旋光子滤波器。滤波器能够从入射光子中分离出纯度高的期望的自旋态光子。滤波器由两个共焦点的Pancharatnam-Berry相位透镜和一个位于公共焦点处的光阑构成。第一个Pancharatnam-Berry相位透镜聚焦期望分离出的自旋态光子,而另外一种自旋态的光子被发射。紧接着的光阑只让聚焦的自旋光子通过。第二个Pancharatnam-Berry相位透镜恢复自旋光子的传输方向和自旋态到入射自旋滤波器时的状态。4.提出紧凑的光子自旋滤波器,并利用该滤波器提取出高阶庞加莱球上的矢量光束的圆偏振分量。紧凑的光子自旋滤波器是通过将焦距为?f的Pancharatnam-Berry相透镜集成到焦距为-f的传统的平凹透镜里面而成的。通过选择滤波器的入射端口,光子自旋滤波器可以从入射混合自旋态光子中选择期望手性的光子沿原来的传输方向继续传输,而不需要的手性光子被很快的发散。高阶庞加莱球可以方便地表示矢量涡旋光束,球的两极(两个基)表示手性和拓扑荷数均相反的涡旋光束,球上其他点表示的光束都可以看做两极态的同轴叠加。所设计的紧凑的光子自旋滤波器可以方便地分别提取高阶庞加莱球上任意一点表示的光束的两个自旋相关的基分量。为了简单而不失一般性,以高阶庞加莱球(l(28)2)的经线(?(28)0)上的五个点为例。通过比较理论结果和测量的强度和反演的偏振,可以发现自旋滤波器能有效提取期望手性的圆偏振分量,如右旋或左旋圆偏振分量。紧凑型光子自旋滤波器为操控光提供了一种简单的方法,其原理可能在光子学器件的设计方面具有一定的潜在应用价值。
【学位单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TH74
【部分图文】：

二维界面,一维,相位,位梯度

d /dx表示界面引入的沿 x 方向的相位梯度。用类似的方法，可以得到广义的反定律[1]：0sin( ) sin( )2ir idn dx （1.3r分别表示反射角。式（1.2）和（1.3）表明可以通过设计突变的界面相位梯度现对反射光线和折射光线的任意调控。当界面相位梯度为 0，广义的斯涅尔回归到常规的斯涅尔定律。由于在广义的斯涅尔定律中引入了界面突变的相位于光线以入射角i 入射，折射角度不再只是符号相反，折射角度的数值也会。在引入界面相位梯度下，全反射临界角和全透射临界角分别为[1]：0arcsin2tci inndn dx （1.4' 0arcsin 12cidn dx （1.5反射和全透射的临界角由入射波长，入射边的折射率和出射边折射率以及界位梯度决定。

透镜,入射平面,位梯度,夹角

博士学位论文折射光线满足[4]：01cos sint ttkdn dx （101sin sint t i in nkddy （1 t 表示波矢r t k和它在xz 平面的投影之间的夹角，r t 表示在平面的 z 轴间的夹角，如图 1.1 所示。如果引入的界面相位梯度在入射平面 d / dx 0），则反常反射和折射发生在入射平面内。

庞加莱球,可视化,左旋,右旋圆偏振光

是通过控制光程的不同来实现所需要的不敏感，即左旋和右旋圆偏振光通过器件后具有相aratnam-Berry 相）不同于动力学相位，它是通过相位。左旋和右旋圆偏振光入射到 Pancharatnam附加相位。在这个共轭的附加相位的作用下，入光具有不同的传输行为。am-Berry 几何相可以方便的用庞加莱球表示[32]。和左旋圆偏振光，赤道上的点表示不同方位的线点表示椭圆偏振光。同一手性的圆偏振光沿不同演化路径引入不同的相移，如图 1.3 所示。不同线演化。反转手性的光子获得的 Pancharatnam-B符号取决于入手光子的手性[32]。光轴的方向角可以 Pancharatnam-Berry 相可以完全覆盖到 2 。通实现基于 Pancharatnam-Berry 相的任意波形整形

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