基于超表面自旋轨道相互作用的晶格和阵列矢量光场调控研究
发布时间：2021-08-07 19:13
对新型空间结构光场的探索与调控是当前光学领域的前沿研究热点之一,以理想的方式控制光场的相位和偏振是光场调控的关键。超表面由空间非均匀各向异性微纳结构组成,在与光相互作用的过程中显现出强烈的自旋-轨道相互作用而产生空间变化的光学响应,这使得超表面能够在亚波长尺度内有效调控电磁波的偏振和相位。通过改变超表面单元结构的旋转角度、几何形状、大小和尺寸可以简单灵活地实现对光场的激发、传输与空间分布的调制。目前超表面的各种重要应用包括宽带消色差超透镜、全息、高效偏振器件、涡旋和矢量光束产生器件等,具有优于传统光学器件的现象和功能。晶格光场是具有周期性分布的结构化势场,最初用来捕获和囚禁超冷原子以实现对单个原子的操控。随着科技的发展,晶格光场被应用于光子晶体光刻、微流体分选、超分辨显微等多个研究领域。此外,将涡旋特性与传统晶格光场相结合形成具有周期性相位奇异的二维晶格光场引起了科学界的广泛关注,相比于没有螺旋相位变化的晶格光场具有更大的应用前景。利用超表面产生拓扑态可调的亚波长晶格光场可以极大简化光学系统的体积,并可能应用于经典物理和拓扑光子学等领域。矢量光场是一种新型的结构化光场,在携带有轨道角动...
【文章来源】：山东师范大学山东省
【文章页数】：127 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
(a)莱克格斯杯；(b)亚波长金属孔阵列的异常透射[10]
山东师范大学博士学位论文2今，SPPs作为微纳光子学的重要基础在生物、材料、能源、信息等领域具有一系列重要的应用，主要包括纳米功能器件设计[11]、LSP共振增强表面拉曼散射[12]、生物传感器[13]、太阳能电池[14]和超高分辨成像[15]等。1.1.1表面等离激元的基本特性表面等离激元（SPPs）是金属表面电子在外界入射电磁场作用下产生的集体电偶极振荡，是一种沿着金属/电介质分界面传播的电子疏密波[16]。如图1.2所示，在半无限大金属和电介质分界面（xy平面）处，电位移矢量D（D=ε0εmE）的法向分量连续，其中，ε0为真空介电常数，εm为金属的相对介电常数。由于介质（空气）的介电常数为正数（ε0>0）且金属的介电常数（实部）为负数（Re(εm)<0），电场的法向分量不连续，导致界面上产生表面极化电荷分布。SPPs在金属/介质表面处电场强度最强，并在垂直于界面的方向上呈现指数衰减，因此SPPs是一种倏逝波，并沿着介质空间与金属空间之间的二维平面（z=0）向前传播。图1.2沿金属/介质分界面传输的SPPs示意图[11]。下面结合麦克斯韦方程及边界条件计算SPPs的场分布和色散关系。金属界面可传播的电磁波分为两类：横电偏振波（TransverseElectric,TE）和横磁偏振波（TransverseMagnetic,TM）。对TE波来说，其电场只有z分量（Ez）而无法诱导表面极化电荷，因此SPPs只存在TM模式，只有Ex,Ey分量和Hz分量[16]。由亥姆霍兹方程（220E+kεE0=）可得：
山东师范大学博士学位论文40,mdmdkεεβεε=+(1-6)根据公式（1-6），可以得到SPPs的色散曲线。如图1.3所示，虚线表示光波在空气中的色散曲线，实线为空气/银界面处SPPs的色散曲线。在同一频率下，SPPs的波矢大于光在真空中的波矢（β=ksp>ko）。因此实际激发SPPs需要有特殊的方式，这会在后面的内容对此进行讨论。图1.3空气/银界面处SPPs的色散曲线。与SPPs传播和局域性质相关的四个特征长度：SPPs的波长spp、SPPs的传播距离Lsp、SPPs在金属中的纵向穿透深度m，以及SPPs在介质中的纵向穿透深度d是研究表面等离激元的基础及重要考量因素。由色散公式（1-6），可得SPPs的波长：spp02Re[]Re[]Re[]Re[]Re[]mdmdπεελλβεε+==(1-7)由上式可知：SPPs的波长spp小于入射光波长0，表明了SPPs具有亚波长特性。定义SPPs传播长度为：当SPPs的强度下降到初始值的1/e时，SPPs沿金属/电介质分界面（xy方向）可传输的距离，其表达式为：12Im[]SPLβ=(1-8)在可见光和近红外光频段，SPPs的传播距离约为10-100m。SPPs在金属中的穿透深度m指SPPs波在金属一侧沿垂直于金属/介质界面的方向上（z方向）传播时，SPPs波场的振幅衰减到初始振幅的1e时的传播深度，可以表示为：
【参考文献】：
期刊论文
[1]新型矢量光场调控:简介、进展与应用[J]. 潘岳,丁剑平,王慧田. 光学学报. 2019(01)
[2]超表面相位调控原理及应用[J]. 李雄,马晓亮,罗先刚. 光电工程. 2017(03)
[3]Valley photonic crystals for control of spin and topology[J]. Science Foundation in China. 2017(01)
[4]基于手性光场作用的超颖表面的相位调控特性及其应用[J]. 黄玲玲. 红外与激光工程. 2016(06)
[5]施氮方式及测定方法对紫色土夏玉米氨挥发的影响[J]. 张翀,李雪倩,苏芳,朱波,巨晓棠. 农业环境科学学报. 2016(06)
[6]时间胶囊[J]. 刘春阳. 记者观察. 2015(04)
[7]光自旋霍尔效应及其研究进展[J]. 罗海陆,文双春. 物理. 2012(06)
[8]对山东旅游职业学院海外品牌酒店课程培训模式的调查报告[J]. 王志玉,王正. 科技信息. 2011(15)
博士论文
[1]等离激元超表面的矢量光场产生和轨道角动量控制研究[D]. 张玉芹.山东师范大学 2019
[2]金属纳米缝表面等离子体激元激发和光场图样形成的实验研究[D]. 李杏.山东师范大学 2015
本文编号：3328375
【文章来源】：山东师范大学山东省
【文章页数】：127 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
(a)莱克格斯杯；(b)亚波长金属孔阵列的异常透射[10]
山东师范大学博士学位论文2今，SPPs作为微纳光子学的重要基础在生物、材料、能源、信息等领域具有一系列重要的应用，主要包括纳米功能器件设计[11]、LSP共振增强表面拉曼散射[12]、生物传感器[13]、太阳能电池[14]和超高分辨成像[15]等。1.1.1表面等离激元的基本特性表面等离激元（SPPs）是金属表面电子在外界入射电磁场作用下产生的集体电偶极振荡，是一种沿着金属/电介质分界面传播的电子疏密波[16]。如图1.2所示，在半无限大金属和电介质分界面（xy平面）处，电位移矢量D（D=ε0εmE）的法向分量连续，其中，ε0为真空介电常数，εm为金属的相对介电常数。由于介质（空气）的介电常数为正数（ε0>0）且金属的介电常数（实部）为负数（Re(εm)<0），电场的法向分量不连续，导致界面上产生表面极化电荷分布。SPPs在金属/介质表面处电场强度最强，并在垂直于界面的方向上呈现指数衰减，因此SPPs是一种倏逝波，并沿着介质空间与金属空间之间的二维平面（z=0）向前传播。图1.2沿金属/介质分界面传输的SPPs示意图[11]。下面结合麦克斯韦方程及边界条件计算SPPs的场分布和色散关系。金属界面可传播的电磁波分为两类：横电偏振波（TransverseElectric,TE）和横磁偏振波（TransverseMagnetic,TM）。对TE波来说，其电场只有z分量（Ez）而无法诱导表面极化电荷，因此SPPs只存在TM模式，只有Ex,Ey分量和Hz分量[16]。由亥姆霍兹方程（220E+kεE0=）可得：
山东师范大学博士学位论文40,mdmdkεεβεε=+(1-6)根据公式（1-6），可以得到SPPs的色散曲线。如图1.3所示，虚线表示光波在空气中的色散曲线，实线为空气/银界面处SPPs的色散曲线。在同一频率下，SPPs的波矢大于光在真空中的波矢（β=ksp>ko）。因此实际激发SPPs需要有特殊的方式，这会在后面的内容对此进行讨论。图1.3空气/银界面处SPPs的色散曲线。与SPPs传播和局域性质相关的四个特征长度：SPPs的波长spp、SPPs的传播距离Lsp、SPPs在金属中的纵向穿透深度m，以及SPPs在介质中的纵向穿透深度d是研究表面等离激元的基础及重要考量因素。由色散公式（1-6），可得SPPs的波长：spp02Re[]Re[]Re[]Re[]Re[]mdmdπεελλβεε+==(1-7)由上式可知：SPPs的波长spp小于入射光波长0，表明了SPPs具有亚波长特性。定义SPPs传播长度为：当SPPs的强度下降到初始值的1/e时，SPPs沿金属/电介质分界面（xy方向）可传输的距离，其表达式为：12Im[]SPLβ=(1-8)在可见光和近红外光频段，SPPs的传播距离约为10-100m。SPPs在金属中的穿透深度m指SPPs波在金属一侧沿垂直于金属/介质界面的方向上（z方向）传播时，SPPs波场的振幅衰减到初始振幅的1e时的传播深度，可以表示为：
【参考文献】：
期刊论文
[1]新型矢量光场调控:简介、进展与应用[J]. 潘岳,丁剑平,王慧田. 光学学报. 2019(01)
[2]超表面相位调控原理及应用[J]. 李雄,马晓亮,罗先刚. 光电工程. 2017(03)
[3]Valley photonic crystals for control of spin and topology[J]. Science Foundation in China. 2017(01)
[4]基于手性光场作用的超颖表面的相位调控特性及其应用[J]. 黄玲玲. 红外与激光工程. 2016(06)
[5]施氮方式及测定方法对紫色土夏玉米氨挥发的影响[J]. 张翀,李雪倩,苏芳,朱波,巨晓棠. 农业环境科学学报. 2016(06)
[6]时间胶囊[J]. 刘春阳. 记者观察. 2015(04)
[7]光自旋霍尔效应及其研究进展[J]. 罗海陆,文双春. 物理. 2012(06)
[8]对山东旅游职业学院海外品牌酒店课程培训模式的调查报告[J]. 王志玉,王正. 科技信息. 2011(15)
博士论文
[1]等离激元超表面的矢量光场产生和轨道角动量控制研究[D]. 张玉芹.山东师范大学 2019
[2]金属纳米缝表面等离子体激元激发和光场图样形成的实验研究[D]. 李杏.山东师范大学 2015
本文编号：3328375
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