基于金属结构超表面的新型光学器件的研究

发布时间：2017-09-26 21:13

  本文关键词：基于金属结构超表面的新型光学器件的研究

  更多相关文章： 超表面 涡旋相位板 超透镜 相位调制 偏振不依赖特性

【摘要】：近年来,光学技术在微纳领域得到了广泛的应用,光的控制受到了更多的关注。一般来说,我们通过对光相位的调控实现对光的操纵。近来提出了超表面的概念,利用亚波长尺度的人工微结构和宏观序可获得任意的相位分布,从而实现对波前的调控。本文主要研究了利用超表面结构如何实现对光的振幅、相位、偏振态的调控,并设计了具有各种功能的偏振依赖和偏振不依赖的超表面光学器件。本论文主要工作和研究成果如下:分别提出了基于开口谐振环和L形纳米天线的偏振依赖和偏振不依赖的宽带光束偏转器,通过理论分析和数值仿真研究了其光束偏转性能。通过改变结构参数,两种微结构都可以实现0-2π的相位延迟,两种光束偏转器都具有很好的光束偏转功能,偏转角度与广义斯涅尔定律符合得非常好。基于开口谐振环的超表面对左右旋圆偏振入射光有相反的偏转方向。通过理论分析和数值仿真同时证明了L形纳米天线的偏振不依赖特性,研究了基于L形纳米天线的光束偏转器的偏振不依赖特性,发现基于L形纳米天线的超表面对线偏振和圆偏振入射光具有相同的偏转效果。分别提出了基于开口谐振环和L形纳米天线的偏振依赖和偏振不依赖的超薄宽带涡旋相位板,两种涡旋相位板都可以形成涡旋光束。当入射光分别为左右旋圆偏振光时,基于开口谐振环的涡旋相位板将产生具有相反拓扑数的涡旋光束。当入射光分别为线偏振和圆偏振光时,基于L形纳米天线的涡旋相位板将产生具有相同拓扑数的涡旋光束,这说明该涡旋相位板具有偏振不依赖特性。对于两种涡旋相位板,我们分别研究了其涡旋光束的演化特点、光和涡旋相位板的角动量的相互作用以及宽谱特性。分别提出了基于开口谐振环和L形狭缝天线的偏振依赖和偏振不依赖的超薄平面超透镜,两种超透镜都可以实现预期的聚焦现象。当入射光分别为左右旋圆偏振光时,基于开口谐振环的超透镜将产生聚焦或者发散现象,说明该超透镜是双极性透镜,其具有偏振依赖特性。当入射光分别为线偏振和圆偏振光时,基于L形狭缝天线的超透镜将产生相同的聚焦现象,说明该超透镜具有偏振不依赖特性。对于两种超透镜,我们分别研究了不同焦距和不同数值孔径的超透镜的聚焦特性,以及超透镜的宽谱特性。分别提出了基于L形狭缝天线的横向多焦点超透镜阵列和纵向多焦点超透镜,这两种超透镜都可以实现预期的多焦点聚焦现象,且都具有偏振不依赖特性。横向多焦点超透镜阵列由子透镜单元按照阵列法排列而成,对于相同偏振和交叉偏振的透射光,子透镜单元具有不同的聚焦想象,并分别探究了其聚焦原理。为了实现纵向多焦点超透镜,首次提出了分区域模式、径向交替模式和角向交替模式三种独创的设计模式。对于两种多交点超透镜,我们都分别研究了L形狭缝纳米天线的分布对聚焦特性的影响。提出了拥有45°和135°的对称轴方向角的纳米天线具有偏振不依赖特性。严格的数学理论推导表明,对于线偏振或者圆偏振入射光,交叉偏振透射光拥有相同的振幅和相移的充分必要条件是:纳米天线的对称轴方向角是45°或135°。通过对V形、C形、U形和椭圆形纳米狭缝天线进行数值仿真,发现只有当这些纳米天线的对称轴方向角为45°和135°时,其才具有偏振不依赖特性。
【关键词】：超表面 涡旋相位板 超透镜 相位调制 偏振不依赖特性
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN826;TH74
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第1章 绪论14-31
• 1.1 引言14
• 1.2 超材料概述14-16
• 1.3 人工微结构单元16-19
• 1.3.1 超材料的电场响应17-18
• 1.3.2 超材料的磁场响应18-19
• 1.4 宏观序19-20
• 1.5 超表面及其功能性器件20-28
• 1.5.1 广义斯涅尔定律21-24
• 1.5.2 四分之一波片24-25
• 1.5.3 涡旋相位板25-26
• 1.5.4 超透镜26-28
• 1.6 本文的主要研究内容28-31
• 第2章 偏振依赖和偏振不依赖的光束偏转器31-46
• 2.1 引言31-32
• 2.2 时域有限差分法32
• 2.3 基于开口谐振环的偏振依赖的光束偏转器32-39
• 2.3.1 开口谐振环的设计及其理论分析32-34
• 2.3.2 基于开口谐振环的光束偏转器的异常折射现象34-37
• 2.3.3 基于开口谐振环的光束偏转器的宽谱特性37-38
• 2.3.4 开口谐振环的排列方式对偏转角度的影响38-39
• 2.4 基于L形纳米天线的偏振不依赖的光束偏转器39-45
• 2.4.1 L形纳米天线的偏振不依赖特性的理论分析39-41
• 2.4.2 基于L形纳米天线的光束偏转器的偏振不依赖特性41-44
• 2.4.3 晶格常数和入射角度对偏转效果的影响44-45
• 2.5 本章小结45-46
• 第3章 偏振依赖和偏振不依赖的超薄光学涡旋相位板46-57
• 3.1 引言46-47
• 3.2 基于开口谐振环的偏振依赖的涡旋相位板47-52
• 3.2.1 基于开口谐振环的涡旋相位板的设计47-48
• 3.2.2 涡旋光束的演化特性48-49
• 3.2.3 圆偏振入射光和涡旋相位板的角动量相互作用49-51
• 3.2.4 基于开口谐振环的涡旋相位板的宽谱特性51-52
• 3.3 基于L形纳米天线的偏振不依赖的涡旋相位板52-56
• 3.3.1 基于L形纳米天线的涡旋相位板的设计52-53
• 3.3.2 基于L形纳米天线的涡旋相位板的偏振不依赖特性53-54
• 3.3.3 线偏振及圆偏振入射光和涡旋相位板的角动量相互作用54-55
• 3.3.4 基于L形纳米天线的涡旋相位板的宽谱特性55-56
• 3.4 本章小结56-57
• 第4章 偏振依赖和偏振不依赖的超薄宽带超透镜57-72
• 4.1 引言57-58
• 4.2 基于开口谐振环的偏振依赖的超薄宽带超透镜58-62
• 4.2.1 基于开口谐振环的超透镜的设计58
• 4.2.2 基于开口谐振环的超透镜的双极性特性58-60
• 4.2.3 具有不同焦距的基于开口谐振环的超透镜60
• 4.2.4 基于开口谐振环的超透镜的宽谱特性60-61
• 4.2.5 具有不同数值孔径的基于开口谐振环的超透镜61-62
• 4.3 基于L形狭缝天线的偏振不依赖的超薄宽带超透镜62-70
• 4.3.1 基于L形狭缝天线的超透镜的设计62-63
• 4.3.2 垂直入射和斜入射时的聚焦现象63-66
• 4.3.3 具有不同焦距的基于L形狭缝天线的超透镜66-67
• 4.3.4 基于L形狭缝天线的超透镜的宽谱特性67-69
• 4.3.5 具有不同数值孔径的基于L形狭缝天线的超透镜69-70
• 4.4 本章小结70-72
• 第5章 偏振不依赖的多焦点超透镜72-92
• 5.1 引言72-73
• 5.2 偏振不依赖的横向多焦点超透镜阵列73-82
• 5.2.1 单焦点子透镜的设计和参数分析73-77
• 5.2.2 相同偏振聚焦现象和机理分析77-79
• 5.2.3 依据透射偏振态的动态聚焦现象79-80
• 5.2.4 具有不同排列方式的超透镜阵列80-82
• 5.3 偏振不依赖的纵向多焦点超透镜82-90
• 5.3.1 基于分区域模式排列的双焦点超透镜82-85
• 5.3.2 基于径向交替模式排列的双焦点超透镜85-87
• 5.3.3 基于角向交替模式排列的双焦点超透镜87-89
• 5.3.4 基于分区域模式排列的三焦点超透镜89-90
• 5.4 本章小结90-92
• 第6章 对称轴的方向角对偏振不依赖特性的影响92-101
• 6.1 引言92
• 6.2 特殊对称超表面的偏振不依赖特性的理论分析92-93
• 6.3 具有偏振不依赖特性的纳米天线的设计及研究93-100
• 6.3.1 V形狭缝纳米天线的结构参数对偏振不依赖特性的影响94-97
• 6.3.2 C形狭缝纳米天线的结构参数对偏振不依赖特性的影响97-99
• 6.3.3 其他对称性纳米天线的方向角对偏振不依赖特性的影响99-100
• 6.4 本章小结100-101
• 结论101-104
• 参考文献104-116
• 攻读博士学位期间发表的论文116-118
• 致谢118-120
• 个人简历120

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本文编号：925749