【摘要】：偏振分束器是一種十分重要的偏振光學器件,能夠將任意偏振入射光分成兩束正交偏振光。鑒于同時具有偏振器和分束器的功能,偏振分束器廣泛應用于光學測量、光纖通訊和藥物科學等領域。隨著微納米科學理論方法的完善和制備技術的進步,光學系統(tǒng)逐漸朝著微型化和集成化趨勢發(fā)展。特別是在空間體積受限的情況,光學器件和光學系統(tǒng)的微型化具有十分重要的意義。然而,由于材料和制備工藝的限制,傳統(tǒng)偏振分束器的體積較大,不適合于光學系統(tǒng)的微型集成。超表面,一種由亞波長尺寸散射體通過亞波長間隔排列組成的新型人造二維結構,能夠在亞波長厚度內對光的振幅、相位和偏振進行控制。其中,一種基于介電材料中極化聲子振動的超表面——全介電超表面,由于能夠對光進行高效控制,實現(xiàn)多個功能的單片集成,且制備工藝與現(xiàn)有半導體工藝相兼容,在實現(xiàn)單個光學器件的微型化和光學系統(tǒng)的微型集成方面具有極大的潛力和優(yōu)勢。鑒于此,本學位論文開展了全介電超表面偏振分束器設計方法、表征方法及其在角度測量中的應用等探索性研究,主要研究工作及創(chuàng)新點包括:推導了全介電超表面單元透射系數(shù)與全介電超表面偏振分束器性能的關系,提出了全介電超表面偏振分束器優(yōu)化設計方法,設計出高性能的全介電超表面線偏振分束器和圓偏振分束器,并對其性能進行仿真分析。分析了全介電超表面單元的透射特性、局部效應近似以及結構尺寸誤差對超表面性能的影響。揭示了局部效應近似有效的根本原因是超表面頂層結構中散射體對入射光的引導和強烈禁錮。提出了一類高透射率全相位控制的超表面單元,且單元的結構尺寸誤差對所組成超表面性能的影響較小。本文所提出超表面單元的特性降低了制備要求,提高了全介電超表面的可制造性。推導了器件偏振特性參數(shù)與器件穆勒矩陣元素之間的關系,建立了偏振特性表征的理論方法。分析了全介電超表面偏振分束器的測量需求,并根據(jù)該需求,研制出透射式成像穆勒矩陣橢偏儀,為器件的偏振特性表征提供了實驗技術。制備出全介電超表面圓偏振分束器。利用偏振特性表征方法和透射式成像穆勒矩陣橢偏儀,測量并分析了所制備全介電超表面圓偏振分束器的偏振特性。開展了全介電超表面偏振分束器在角度測量領域中的應用實驗研究。提出一種基于偏振光學的滾轉角測量方法,設計了一種基于全介電超表面偏振分束器的滾轉角傳感器,分析了該傳感器的理論性能。研制出該滾轉角傳感器的原理樣機,并結合所研制的透射式成像穆勒矩陣橢偏儀,提出該滾轉角傳感器系統(tǒng)參數(shù)的校準方法。在此基礎上,評估了該滾轉角傳感器原理樣機的性能。本學位論文在全介電超表面偏振分束器設計、表征及其應用方面的研究,為全介電超表面偏振分束器的實際應用提供一定的理論基礎,為深入認識和理解偏振分束器提供理論方法和實驗技術;為滾轉角傳感器的微型化提供新方法和新途徑,豐富了現(xiàn)有的滾轉角測量技術。
【圖文】：

2-2 用于描述 Pancharatnam Berry 相位理論的示意爾定理滿足 Fermat 原理，即光線從固定點 A 到固定點 B，其）是極值，通常是極小值，可表示為： BA0dn r drdr 環(huán)境的局部折射率，dr 表示沿光線傳播方向無限小的n r)的關系 Φ = 2 fnr/c 可知（f 為光線的頻率，c 為光點 A 到固定點 B，光線傳播積累的相位也是極小的。如限接近實際光路，那么他們的相位差為零，即：0 0sin sin 0i i t tk n dx k n dx / 0, 0為光線在真空中的波長；ni和 nt分別是兩介質的角和折射角；dx 為兩光路與界面相交處的距離。式

n通常取 1）。另外，由于超表面單元在y方向的周期小于入射光波長，，且入射角為0 ，因此式(3-4)中的積分只需在x方向進行。圖3-1 全介電超表面偏振分束器的結構示意圖，其中藍色虛線框表示一個超級單元。對于線和圓偏振分束器，其設計原理分別是基于 Mie 理論和 PB 相位理論引入的突變相位。上述兩種突變相位，可分別通過變化橢圓柱的結構尺寸和方位角來實現(xiàn)。對于改變橢圓柱結構尺寸的方式，出射光電場與各個橢圓柱的光學特性相關。因此，在設計時需要對整個超級單元進行建模；對于改變橢圓柱方位角的方式，出射光電場只與一個橢圓柱的光學特性相關。因此，在設計時可以只對超表面單元進
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TH74

【參考文獻】

相關期刊論文 前1條

1 孫樹林;何瓊;周磊;;電磁超表面[J];物理;2015年06期

相關博士學位論文 前2條

1 陳修國;基于廣義橢偏儀的納米結構測量理論與方法研究[D];華中科技大學;2013年

2 王定理;納米壓印技術及其在金屬光柵偏振分束器和半導體激光器上的應用[D];武漢大學;2010年

本文編號：2677136