基于偏振轉換的超表面微光學器件的研究
發(fā)布時間：2022-01-04 05:59
光通過天然材料制成的傳統(tǒng)光學元件傳輸時,沿著傳播路徑的吸收、色散效應的積累可操控光場的偏振、相位、振幅和頻譜,從而使光學元件具有某種特定的功能。天然材料的介電常數(shù)和磁導率是有限的,需要利用光學元件的尺度變化控制光波前,因此傳統(tǒng)光學元件體積較大。傳統(tǒng)光學元件難以滿足現(xiàn)代光學技術對集成光學元件的需求,也成為現(xiàn)代光子系統(tǒng)集成和小型化的障礙。探究結構超薄緊湊且易于集成的超表面微光學元件對于促進集成光學和光子學的發(fā)展具有重要的意義。超表面是指具有超薄結構、易于集成和靈活操縱光場的二維超材料,它可以由陣列納米孔、納米縫或納米突起等微結構構成。超表面可通過納米結構與光的相互作用精確操控光場。各向異性納米結構的轉動與形狀的變化可以調控光的相位、振幅與偏振等信息,進而獲得超透鏡、光束偏轉器、等效波片等光學功能器件。基于超表面設計的光學功能器件可在超分辨成像、光學微操控、光通信以及光學集成等方面具有潛在的廣泛應用。本論文以光學超表面為基礎,通過調節(jié)納米結構單元的參數(shù)實現(xiàn)對光波前和偏振態(tài)的有效調控,設計實現(xiàn)多種超表面微光學器件。論文的創(chuàng)新性工作包括如下幾個方面:一是基于超表面光波前調控功能設計了雙焦點超透鏡...
【文章來源】：山東師范大學山東省
【文章頁數(shù)】：62 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
龐加萊球中幾何相位與轉角的關系
山東師范大學碩士學位論文7和反射現(xiàn)象。當然這些反常的現(xiàn)象是在交叉偏振轉換態(tài)的情況下獲得的，相同偏振光的反射和折射依然滿足一般的斯涅耳定理。實驗中測得的結果證明了反常的反射和折射現(xiàn)象，并且與廣義斯涅爾定律的預測一致。圖1.2A為制作的典型天線陣列的掃描電子顯微鏡圖像。B是y偏振激發(fā)(垂直于入射平面的電場)的實驗裝置示意圖。C和D分別測量了y和x極化激勵下的折射光束的遠場強度分布，折射角是從法向表面的角度來計算的[11]。利用P-B相也可以實現(xiàn)反常的反射和折射。圖1.3結構展示了一個顯著的光子自旋霍爾效應[55]。該結構是通過飛秒激光在熔融石英樣品表面以下刻寫空間變化的納米溝槽來制備的。均勻的玻璃會在強激光照射下分解成多孔玻璃，其折射率取決于激光強度，由此光強的周期性變化可導致折射率的調制，進而可以產生類似光柵的納米結構。通過改變介質超表面的光軸方向，可以觀察到動量空間中與自旋相關的分離。由圖中可以看出，入射的圓偏振光經由結構轉換為交叉圓偏振，并因為攜帶額外的附加相位而發(fā)生光路偏折。根據真實空間與動量空間的映射關系，在光束傳播過程中，誘導
山東師范大學碩士學位論文8的真實空間位移線性增加，因此該方法為放大光子自旋霍爾效應和直接測量提供了一種方便的方法。考慮到超表面能夠將不同的偏振光分裂成不同的方向，偏振態(tài)測量是波束偏轉的一個重要應用。圖1.3(a)由具有自旋相關的P-B相位梯度的超表面誘導的光子自旋霍爾效應示意圖，(b)超表面的詳細幾何形狀，(c)線偏振光束通過兩個具有相反旋轉方向的超表面后的測量強度和(d)S3參數(shù)[55]。1.3.2超透鏡超表面對光相位的操縱還可以實現(xiàn)光的聚焦。此時，在超表面上施加以下拋物線透射或反射相位輪廓，ffyx2222(1-19)上式中的φ為實現(xiàn)光聚焦所需的相位，x和y是超表面相移元素的坐標，λ為自由空間波長，f是透鏡的焦距。圖1.4顯示了一種無球差的超透鏡結構，它是AietaF等人通過精心設計的V形等離天線得到的超表面結構[38]。設計的八個不同的等離V型天線對交叉偏振散射光有相對恒定的振幅并且相鄰天線之間有π/4的連續(xù)相位增量。由于歐姆損耗和較小的散射效率，該超透鏡在可見光和近紅外波段的聚焦效率相對較低，但在微波段具有很好的聚焦性能。實際上，在可見光波段，超薄傳輸陣列在共極狀態(tài)下達到2π的相位延遲是具有挑戰(zhàn)性的。為了解決這些問題，研究人員開始使用介質材料結構來制造超透鏡。利用P-B相位也是實現(xiàn)超透鏡設計的常用方法。由于P-B相的性質，通過控制輸入光的螺旋度，在單一超透鏡中圓偏振的正負手性可以互換。通過納米天線的旋轉，入射的圓偏振光轉化為相應的交叉偏振光，并由于附加的幾何相位從而實現(xiàn)了光束聚焦。KhorasaninejadM等人利用二氧化鈦納米天線設計了一種工作在可見光波段的超透鏡[56]。
【參考文獻】：
期刊論文
[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]偏振光的矩陣描述[J]. 洪方泰. 臺州師專學報. 1995(06)
[5]偏振器件的瓊斯矩陣[J]. 梁銓廷. 光學儀器. 1988(04)
博士論文
[1]亞波長偏振調控超材料研究[D]. 冀若楠.中國科學院大學(中國科學院上海技術物理研究所) 2016
本文編號：3567802
【文章來源】：山東師范大學山東省
【文章頁數(shù)】：62 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
龐加萊球中幾何相位與轉角的關系
山東師范大學碩士學位論文7和反射現(xiàn)象。當然這些反常的現(xiàn)象是在交叉偏振轉換態(tài)的情況下獲得的，相同偏振光的反射和折射依然滿足一般的斯涅耳定理。實驗中測得的結果證明了反常的反射和折射現(xiàn)象，并且與廣義斯涅爾定律的預測一致。圖1.2A為制作的典型天線陣列的掃描電子顯微鏡圖像。B是y偏振激發(fā)(垂直于入射平面的電場)的實驗裝置示意圖。C和D分別測量了y和x極化激勵下的折射光束的遠場強度分布，折射角是從法向表面的角度來計算的[11]。利用P-B相也可以實現(xiàn)反常的反射和折射。圖1.3結構展示了一個顯著的光子自旋霍爾效應[55]。該結構是通過飛秒激光在熔融石英樣品表面以下刻寫空間變化的納米溝槽來制備的。均勻的玻璃會在強激光照射下分解成多孔玻璃，其折射率取決于激光強度，由此光強的周期性變化可導致折射率的調制，進而可以產生類似光柵的納米結構。通過改變介質超表面的光軸方向，可以觀察到動量空間中與自旋相關的分離。由圖中可以看出，入射的圓偏振光經由結構轉換為交叉圓偏振，并因為攜帶額外的附加相位而發(fā)生光路偏折。根據真實空間與動量空間的映射關系，在光束傳播過程中，誘導
山東師范大學碩士學位論文8的真實空間位移線性增加，因此該方法為放大光子自旋霍爾效應和直接測量提供了一種方便的方法。考慮到超表面能夠將不同的偏振光分裂成不同的方向，偏振態(tài)測量是波束偏轉的一個重要應用。圖1.3(a)由具有自旋相關的P-B相位梯度的超表面誘導的光子自旋霍爾效應示意圖，(b)超表面的詳細幾何形狀，(c)線偏振光束通過兩個具有相反旋轉方向的超表面后的測量強度和(d)S3參數(shù)[55]。1.3.2超透鏡超表面對光相位的操縱還可以實現(xiàn)光的聚焦。此時，在超表面上施加以下拋物線透射或反射相位輪廓，ffyx2222(1-19)上式中的φ為實現(xiàn)光聚焦所需的相位，x和y是超表面相移元素的坐標，λ為自由空間波長，f是透鏡的焦距。圖1.4顯示了一種無球差的超透鏡結構，它是AietaF等人通過精心設計的V形等離天線得到的超表面結構[38]。設計的八個不同的等離V型天線對交叉偏振散射光有相對恒定的振幅并且相鄰天線之間有π/4的連續(xù)相位增量。由于歐姆損耗和較小的散射效率，該超透鏡在可見光和近紅外波段的聚焦效率相對較低，但在微波段具有很好的聚焦性能。實際上，在可見光波段，超薄傳輸陣列在共極狀態(tài)下達到2π的相位延遲是具有挑戰(zhàn)性的。為了解決這些問題，研究人員開始使用介質材料結構來制造超透鏡。利用P-B相位也是實現(xiàn)超透鏡設計的常用方法。由于P-B相的性質，通過控制輸入光的螺旋度，在單一超透鏡中圓偏振的正負手性可以互換。通過納米天線的旋轉，入射的圓偏振光轉化為相應的交叉偏振光，并由于附加的幾何相位從而實現(xiàn)了光束聚焦。KhorasaninejadM等人利用二氧化鈦納米天線設計了一種工作在可見光波段的超透鏡[56]。
【參考文獻】：
期刊論文
[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]偏振光的矩陣描述[J]. 洪方泰. 臺州師專學報. 1995(06)
[5]偏振器件的瓊斯矩陣[J]. 梁銓廷. 光學儀器. 1988(04)
博士論文
[1]亞波長偏振調控超材料研究[D]. 冀若楠.中國科學院大學(中國科學院上海技術物理研究所) 2016
本文編號：3567802
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