基于偏振转换的超表面微光学器件的研究
发布时间：2022-01-04 05:59
光通过天然材料制成的传统光学元件传输时,沿着传播路径的吸收、色散效应的积累可操控光场的偏振、相位、振幅和频谱,从而使光学元件具有某种特定的功能。天然材料的介电常数和磁导率是有限的,需要利用光学元件的尺度变化控制光波前,因此传统光学元件体积较大。传统光学元件难以满足现代光学技术对集成光学元件的需求,也成为现代光子系统集成和小型化的障碍。探究结构超薄紧凑且易于集成的超表面微光学元件对于促进集成光学和光子学的发展具有重要的意义。超表面是指具有超薄结构、易于集成和灵活操纵光场的二维超材料,它可以由阵列纳米孔、纳米缝或纳米突起等微结构构成。超表面可通过纳米结构与光的相互作用精确操控光场。各向异性纳米结构的转动与形状的变化可以调控光的相位、振幅与偏振等信息,进而获得超透镜、光束偏转器、等效波片等光学功能器件。基于超表面设计的光学功能器件可在超分辨成像、光学微操控、光通信以及光学集成等方面具有潜在的广泛应用。本论文以光学超表面为基础,通过调节纳米结构单元的参数实现对光波前和偏振态的有效调控,设计实现多种超表面微光学器件。论文的创新性工作包括如下几个方面:一是基于超表面光波前调控功能设计了双焦点超透镜...
【文章来源】：山东师范大学山东省
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
庞加莱球中几何相位与转角的关系
山东师范大学硕士学位论文7和反射现象。当然这些反常的现象是在交叉偏振转换态的情况下获得的，相同偏振光的反射和折射依然满足一般的斯涅耳定理。实验中测得的结果证明了反常的反射和折射现象，并且与广义斯涅尔定律的预测一致。图1.2A为制作的典型天线阵列的扫描电子显微镜图像。B是y偏振激发(垂直于入射平面的电场)的实验装置示意图。C和D分别测量了y和x极化激励下的折射光束的远场强度分布，折射角是从法向表面的角度来计算的[11]。利用P-B相也可以实现反常的反射和折射。图1.3结构展示了一个显著的光子自旋霍尔效应[55]。该结构是通过飞秒激光在熔融石英样品表面以下刻写空间变化的纳米沟槽来制备的。均匀的玻璃会在强激光照射下分解成多孔玻璃，其折射率取决于激光强度，由此光强的周期性变化可导致折射率的调制，进而可以产生类似光栅的纳米结构。通过改变介质超表面的光轴方向，可以观察到动量空间中与自旋相关的分离。由图中可以看出，入射的圆偏振光经由结构转换为交叉圆偏振，并因为携带额外的附加相位而发生光路偏折。根据真实空间与动量空间的映射关系，在光束传播过程中，诱导
山东师范大学硕士学位论文8的真实空间位移线性增加，因此该方法为放大光子自旋霍尔效应和直接测量提供了一种方便的方法。考虑到超表面能够将不同的偏振光分裂成不同的方向，偏振态测量是波束偏转的一个重要应用。图1.3(a)由具有自旋相关的P-B相位梯度的超表面诱导的光子自旋霍尔效应示意图，(b)超表面的详细几何形状，(c)线偏振光束通过两个具有相反旋转方向的超表面后的测量强度和(d)S3参数[55]。1.3.2超透镜超表面对光相位的操纵还可以实现光的聚焦。此时，在超表面上施加以下抛物线透射或反射相位轮廓，ffyx2222(1-19)上式中的φ为实现光聚焦所需的相位，x和y是超表面相移元素的坐标，λ为自由空间波长，f是透镜的焦距。图1.4显示了一种无球差的超透镜结构，它是AietaF等人通过精心设计的V形等离天线得到的超表面结构[38]。设计的八个不同的等离V型天线对交叉偏振散射光有相对恒定的振幅并且相邻天线之间有π/4的连续相位增量。由于欧姆损耗和较小的散射效率，该超透镜在可见光和近红外波段的聚焦效率相对较低，但在微波段具有很好的聚焦性能。实际上，在可见光波段，超薄传输阵列在共极状态下达到2π的相位延迟是具有挑战性的。为了解决这些问题，研究人员开始使用介质材料结构来制造超透镜。利用P-B相位也是实现超透镜设计的常用方法。由于P-B相的性质，通过控制输入光的螺旋度，在单一超透镜中圆偏振的正负手性可以互换。通过纳米天线的旋转，入射的圆偏振光转化为相应的交叉偏振光，并由于附加的几何相位从而实现了光束聚焦。KhorasaninejadM等人利用二氧化钛纳米天线设计了一种工作在可见光波段的超透镜[56]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Conversion between polarization states based on a metasurface[J]. SHUYUN TENG,QI ZHANG,HAN WANG,LIXIA LIU,HAORAN LV. Photonics Research. 2019(03)
[2]Multifunctional metasurface:from extraordinary optical transmission to extraordinary optical diffraction in a single structure[J]. ZILAN DENG,YAOYU CAO,XIANGPING LI,GUOPING WANG. Photonics Research. 2018(05)
[3]Arbitrary focusing lens by holographic metasurface[J]. Rongzhen Li,Zhongyi Guo,Wei Wang,Jingran Zhang,Keya Zhou,Jianlong Liu,Shiliang Qu,Shutian Liu,Jun Gao. Photonics Research. 2015(05)
[4]偏振光的矩阵描述[J]. 洪方泰. 台州师专学报. 1995(06)
[5]偏振器件的琼斯矩阵[J]. 梁铨廷. 光学仪器. 1988(04)
博士论文
[1]亚波长偏振调控超材料研究[D]. 冀若楠.中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所) 2016
本文编号：3567802
【文章来源】：山东师范大学山东省
【文章页数】：62 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
庞加莱球中几何相位与转角的关系
山东师范大学硕士学位论文7和反射现象。当然这些反常的现象是在交叉偏振转换态的情况下获得的，相同偏振光的反射和折射依然满足一般的斯涅耳定理。实验中测得的结果证明了反常的反射和折射现象，并且与广义斯涅尔定律的预测一致。图1.2A为制作的典型天线阵列的扫描电子显微镜图像。B是y偏振激发(垂直于入射平面的电场)的实验装置示意图。C和D分别测量了y和x极化激励下的折射光束的远场强度分布，折射角是从法向表面的角度来计算的[11]。利用P-B相也可以实现反常的反射和折射。图1.3结构展示了一个显著的光子自旋霍尔效应[55]。该结构是通过飞秒激光在熔融石英样品表面以下刻写空间变化的纳米沟槽来制备的。均匀的玻璃会在强激光照射下分解成多孔玻璃，其折射率取决于激光强度，由此光强的周期性变化可导致折射率的调制，进而可以产生类似光栅的纳米结构。通过改变介质超表面的光轴方向，可以观察到动量空间中与自旋相关的分离。由图中可以看出，入射的圆偏振光经由结构转换为交叉圆偏振，并因为携带额外的附加相位而发生光路偏折。根据真实空间与动量空间的映射关系，在光束传播过程中，诱导
山东师范大学硕士学位论文8的真实空间位移线性增加，因此该方法为放大光子自旋霍尔效应和直接测量提供了一种方便的方法。考虑到超表面能够将不同的偏振光分裂成不同的方向，偏振态测量是波束偏转的一个重要应用。图1.3(a)由具有自旋相关的P-B相位梯度的超表面诱导的光子自旋霍尔效应示意图，(b)超表面的详细几何形状，(c)线偏振光束通过两个具有相反旋转方向的超表面后的测量强度和(d)S3参数[55]。1.3.2超透镜超表面对光相位的操纵还可以实现光的聚焦。此时，在超表面上施加以下抛物线透射或反射相位轮廓，ffyx2222(1-19)上式中的φ为实现光聚焦所需的相位，x和y是超表面相移元素的坐标，λ为自由空间波长，f是透镜的焦距。图1.4显示了一种无球差的超透镜结构，它是AietaF等人通过精心设计的V形等离天线得到的超表面结构[38]。设计的八个不同的等离V型天线对交叉偏振散射光有相对恒定的振幅并且相邻天线之间有π/4的连续相位增量。由于欧姆损耗和较小的散射效率，该超透镜在可见光和近红外波段的聚焦效率相对较低，但在微波段具有很好的聚焦性能。实际上，在可见光波段，超薄传输阵列在共极状态下达到2π的相位延迟是具有挑战性的。为了解决这些问题，研究人员开始使用介质材料结构来制造超透镜。利用P-B相位也是实现超透镜设计的常用方法。由于P-B相的性质，通过控制输入光的螺旋度，在单一超透镜中圆偏振的正负手性可以互换。通过纳米天线的旋转，入射的圆偏振光转化为相应的交叉偏振光，并由于附加的几何相位从而实现了光束聚焦。KhorasaninejadM等人利用二氧化钛纳米天线设计了一种工作在可见光波段的超透镜[56]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Conversion between polarization states based on a metasurface[J]. SHUYUN TENG,QI ZHANG,HAN WANG,LIXIA LIU,HAORAN LV. Photonics Research. 2019(03)
[2]Multifunctional metasurface:from extraordinary optical transmission to extraordinary optical diffraction in a single structure[J]. ZILAN DENG,YAOYU CAO,XIANGPING LI,GUOPING WANG. Photonics Research. 2018(05)
[3]Arbitrary focusing lens by holographic metasurface[J]. Rongzhen Li,Zhongyi Guo,Wei Wang,Jingran Zhang,Keya Zhou,Jianlong Liu,Shiliang Qu,Shutian Liu,Jun Gao. Photonics Research. 2015(05)
[4]偏振光的矩阵描述[J]. 洪方泰. 台州师专学报. 1995(06)
[5]偏振器件的琼斯矩阵[J]. 梁铨廷. 光学仪器. 1988(04)
博士论文
[1]亚波长偏振调控超材料研究[D]. 冀若楠.中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所) 2016
本文编号：3567802
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