光場調控一直是重要的基礎光學研究領域之一,在光信息、激光領域具有重要應用。其研究內容涵蓋對光場相位、振幅和偏振調控的新機理和新方法。納米科學和納米加工技術的進步提供了豐富多樣的微納結構,極大地促進了納米尺度光場調控的研究。由于金屬表面等離激元共振具有強的局域電磁場增強效應,利用金屬微納結構對光波的電共振響應所開展的光場調控研究已經取得了豐富的研究成果。但是,受限于金屬固有的歐姆損耗,基于金屬結構的光場調控器件一般損耗大、調控效率低。近年來,高折射率介質微納結構在光場調控領域受到了越來越廣泛的關注。除了具有低損耗特性外,高折射率介質微納結構對光波的磁響應特性為光場調控提供了一個額外的維度,從而提升了對光場調控的能力。本論文主要圍繞高折射率介質微納結構的光場調控開展研究工作:從單個介質顆粒的光場調控特性入手,然后拓展到顆粒陣列構成的超表面。本論文的主要研究工作如下:1.研究了單個介質納米立方體的散射特性,明確其內部的電偶極共振和磁偶極共振。通過選擇合適的工作波長使得電偶極模式和磁偶極模式等振幅等相位來實現單向散射。通過改變顆粒的幾何尺寸來使得電偶極峰和磁偶極峰重疊達到在共振位置處的單向散射。進一步地,通過將上述顆粒串成鏈可以實現寬譜的單向散射。2.基于偶極-偶極相互作用模型,研究了硅納米二聚體在高斯光入射下的散射特性。該遠場散射場是由顆粒內部感應的電磁偶極子的輻射場的干涉引起的,與二聚體相對高斯光束的位置有關。通過改變二聚體與入射場的相對位置可以實現對遠場散射的調控進而實現單向散射。反過來,通過測量遠場散射場的橫向對比度,可以確定顆粒相對于入射場的位置�；诖�,我們提出了一種新型的光學校準和納米尺度的位移測量手段。3.基于瓊斯矩陣研究了由不同尺寸以及不同旋向的硅顆粒組成的超表面的透射特性。給出兩種方法分別基于極化率張量半解析方法和時域有限差分數值方法用于獲取超表面的瓊斯矩陣。通過選取合適的顆粒以及相應的面內排布,實現了任意的波前分布�；诖嗽O計了兩類超表面分別用于生成徑向/角向偏振光(偏振調控)和Airy光束(相位調控)。4.基于結構的對稱特性,系統(tǒng)地將超表面進行了歸類并關聯其對應的瓊斯矩陣以及其獨有的本征矢�；诖�,我們設計了一種雙層超表面,其本征矢為圓偏振光,用于實現旋光效應。不同于傳統(tǒng)旋光材料通過增加傳播方向的長度來增大出射偏振角的旋轉,該雙層超表面結構可以通過改變結構的橫向尺寸實現出射偏振角的旋轉,其角度偏轉可以從-90°變化到90°。這項工作提供了一種新型偏振轉化器的設計思路。本論文的創(chuàng)新點和特色:1.發(fā)展了一種基于極化率張量的半解析的方法用于分析納米結構的散射特性以及該結構組成的超表面的透射反射特性。該方法適用于顆粒的結構尺寸遠小于入射光波長。2.提出了一種基于介質納米二聚體和高斯光束相互作用的納米位移測量方法。通過測量橫向散射場的對比度,就可以確定該納米二聚體相對于入射場中心的位置。該方法的測量精度可以達到十納米左右,并且可以通過使用HG10模高斯光入射來增加。3.基于超表面的對稱特性,對超表面進行了系統(tǒng)的分類并關聯其獨有的瓊斯矩陣,提出并設計了介質雙層超表面實現了巨大的旋光效應。不同于傳統(tǒng)旋光材料通過增加傳播方向的長度來增大出射偏振角的旋轉,該超表面可以通過改變結構的橫向尺寸實現出射偏振角的旋轉,其角度偏轉可以從-90°變化到90°。
【學位單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：O43
【部分圖文】：

直接支持磁偶極模式，并且該模式的共振位置可以直接通過調節(jié)硅球的半徑來逡逑移動。該磁偶極模式是Ｍｉｅ式散射的一階共振峰，是一種腔模并且大部分能量逡逑局域在球形內部。圖１．１（４展示了該磁模式的來源并且同劈裂圓環(huán)做了相應的對逡逑比，如圖１．１（ｃ）所示。對于這兩類共振結構來說，光致磁響應皆來源于結構內部逡逑很強的環(huán)形位移電流，同時也導致了結構內部很強的磁場增強。逡逑就在理論預測不久之后，實驗上也在驗證可見光波段的硅球支持的光致磁逡逑響應方面做出了重大突破圖１．１（ｅ）和１．１（／）顯示了硅球顆粒的ＳＥＭ圖以逡逑及在暗場下的像�？梢钥吹皆诎祱鱿�，單個硅球的散射譜有兩個明顯的峰，分別逡逑對應電偶極峰和磁偶極峰，如圖１．１Ｇ）所示。緊接著上述的工作，其他的一些實逡逑驗工作在可見光波段或近紅外波段也相繼證明了硅材料結構內部支持光致磁響逡逑應逡逑１．１．２．利用磁響應調控遠場散射逡逑對于單個顆粒而言，研究其對光場的調控，更多的關注顆粒對光場的散射。逡逑眾所周知，由于電響應和磁響應之間的相互作用，在散射體系中引入磁場共振會逡逑給遠場的散射提供一個額外的維度。例如

上述的討論都是基于偶極共振模式的干涉，要求顆粒內部的偶極模式的強逡逑度遠遠大于高階極子模式的強度。但是在某些波段偶極近似就不再適用，高階模逡逑式的作用需要被考慮進去柯４２，４３］。圖１．５＾和圖１．４問中相同結構在另一個波段逡逑的散射譜。在這個波段電偶極子的貢獻可以忽略不計，磁偶極子和電四極子占主逡逑要作用。電四極子共振的中心波長在８８７ｎｍ處，在共振處的相位分布變了一個逡逑符號，導致在共振前后的遠場散射圖樣發(fā)生極大的變化，如圖１．５（６）和１．５（ｃ）所逡逑示＿。逡逑在偶極點源激發(fā)的情況下，顆粒內部感應出的模式常常伴隨著高階極子模逡逑式的出現。因此處理點源激發(fā)情況下光致磁響應調控光場散射的問題時往往需逡逑要考慮高階模式的貢獻。圖Ｉ．５（ｒｆ）展示了利用高折射率介質球調控偶極子輻逡逑射的示例。圖１．５（ｅ）展示了在僅考慮偶極輻射項和僅考慮四極輻射項下，在頻率逡逑／邋＝邋９．７４Ｇｉｆ＿ｚ處ｒｃ邋—ｚ面內的遠場散射圖樣。圖丨．５（／）更加詳細的計算了邋２０個逡逑極子疊加的情況以及實驗結果�？梢钥吹絻H考慮偶極輻射的情況，遠場散射的結逡逑果和實驗結果不吻合，而在考慮了更高階的極子的貢獻后，理論模型和實驗結果逡逑就保持了一致。逡逑６逡逑

寬譜的連續(xù)背景態(tài)和分立態(tài)之間的干涉導致的＾￣＾。類似于金屬團簇結構，介逡逑質顆粒組成的團簇結構同樣會出現法諾共振效應。同時涉及到電磁偶極模式的逡逑法諾共振會展示出只涉及單個電模式時所沒有的特性［４７］。圖１．６展示了金屬球心逡逑介質球殼一維陣列的散射示意圖。同圖１．４（ｄ）中類似，該納米顆粒被設計成在逡逑１０９６ｎｍ處同時支持電磁偶極模式的共振。眾所周知，這種陣列支持法諾共振來逡逑源于單個顆粒的寬譜共振和整個陣列的窄帶共振的干涉。如果單個顆粒只支持逡逑電偶極模式或者磁偶極模式，比如金屬顆�；蛘吒哒凵渎式橘|顆粒在某個波長逡逑處，產生的法諾共振是強烈的依賴于偏振的［４７］。單個顆粒同時支持兩個模式并逡逑且在共振處重疊的話，那么該法諾共振就與偏振無關。逡逑法諾共振也可被單獨的磁響應激發(fā)【４Ｓ］。圖１．６（ｃ）展示了法諾共振來源于硅六逡逑聚體的寬譜背景態(tài)和單個硅球的窄的分立ｉ之間的干涉。金屬顆粒組成的結構逡逑７逡逑

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