基于介质超表面的近红外光学器件研究

发布时间：2020-09-09 17:58

　　近些年来,平面光学器件的设计已经成为光子集成和光子芯片发展至关重要的研究方向和热点。传统的光学器件都是采用自然界中的材料,尺寸比较大,难以做到片上集成、电磁波的偏振操控、微型化等功能。基于超表面实现的光学器件,由于具备亚波长的尺寸、可集成化、能任意控制电磁波波前等优点,逐渐成为制作光学器件的最佳选择。但若使用金属作为材料,其非常高的金属损耗使得设计的光学器件具有极低的效率。因此,本文根据借助时域有限差分法重点研究基于介质超表面的光学器件器件的相关设计及应用。具体研究内容如下:(1)提出了一种具有极高透射率的基于硅纳米砖阵列的超薄介质超表面。通过调整硅纳米砖的长和宽的尺寸可以分别对入射的x线偏振光和y线偏振光实现0到2π的相位调控,两种偏振光的相位调控相互独立并且其同向偏振光的透射率都超过了 90%。基于所设计的介质超表面,我们实现了工作在通信波段(1500nm)下的光学偏振分束器,其将两个正交线偏振光偏转到不同方向,偏转角度分别为±16.3°。同时,我们还设计了一个基于介质超表面的偏振不依赖的光束偏转器,通过改变超表面的晶格常数和超晶胞内天线的个数可以实现任意的偏转角度。此外,为了能够在实验中提取两种正交偏振态,我们设计了一个将x和y线偏振光聚焦到不同位置的超薄超透镜。(2)设计了一种基于高阶介质超表面的高效偏振分束器和涡旋光产生器。以往的光学器件都在±1阶衍射模式下控制光束波前,我们通过调控一个超晶胞内离散相位分布使设计的光学器件工作在高阶衍射模式下,并且具有很高的透射率。基于高阶介质超表面,我们设计了在通信频段下的两个具有突变相位不连续性并且分别工作在三阶和五阶衍射模式下的偏振分束器。此外,我们还设计了工作在高阶衍射模式下的拓扑核分别为2和3的两个涡旋光束产生器。这种设计方法可以拓展到其他具有高效率的光学透射器件上。(3)提出了一种基于介质超表面的波片与光学器件相结合的双功能器件。基于我们设计的介质超表面能够对波长为1500nm的入射光的偏振和相位波前进行同时控制的理论,我们在1360nm至1640nm的宽波段范围内实现了超过70%效率的可逆的四分之一波片和光束偏转器结合的双功能器件。接着,我们又设计了半波片/光束偏转器,四分之一波片/超透镜,半波片/超透镜这三个双功能器件,验证了我们设计的双功能器件的可行性,有利于器件的小型化和集成化。
【学位单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH74
【部分图文】：

图２．１界面处引入突变相位的折射逡逑Ｆｉｇ邋２．１邋Ｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ邋ｗｈｅｎ邋ｉｎｄｕｃｉｎｇ邋ａｎ邋ａｂｒｕｐｔ邋ｐｈａｓｅ邋ｏｎ邋ｔｈｅ邋ｓｕｒｆａｃ７逡逑

示意图,示意图,相位,界面

逦（２．４）逡逑人逡逑其中／为焦距，如下图２．２所示为超透镜聚焦的原理图，可知，原本刚入射逡逑到界面处时每点的相位都是相同的，在界面处放置超表面从而引入突变的相位，逡逑相位满足抛物线的分布，使得入射光汇聚到焦点处。逡逑２丨邋＇、《１邋ｖ；逡逑逦Ｉ邋一＇突变相位逡逑ｘ邋＼逡逑ｉ逦￣超表面逡逑Ｔ平面波逡逑图２．２基于超表面的超透镜的示意图逡逑Ｆｉｇ．邋２．２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｍｅｔａｌｅｎｓ邋ｂａｓｅｄ邋ｏｎ邋ｔｈｅ邋ｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅ逡逑而要设计三维空间的聚焦时，常用的方法仍然是使用类似于上述的相位补逡逑偿，是的在界面处的补偿相位呈现出类似于抛物面的分布，其相位满足的公式为：逡逑（？（ｘ，ｙ）＝—（＼ｊｘｌ＋ｙ２邋＋ｆ２￣ｆ）逦（２．５）逡逑人逡逑y.抑R%物光逡逑参考光５！~=彳：！功喊逡逑＝１＿彮－２逡逑逦逡逑图２．３全息图原理的示意图逡逑Ｆｉｇ．邋２．３邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｗｏｒｋｉｎｇ邋ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｃｏｍｐｕｔｅｒ－ｇｅｎｅｒａｔｅｄ邋ｈｏｌｏｇｒａｍｓ逡逑但是利用这种等光程原则获得的相位不适用于结构单元较多的情况，仿真计逡逑算工作量也会过于庞大，一般采用基于菲涅尔衍射原理的相位全息图的方法获得逡逑９逡逑

示意图,全息图,示意图,相位

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