本文關(guān)鍵詞：變換光學(xué)芯片上中心引力場彎曲時空的模擬與光束調(diào)控　出處：《南京大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：信息技術(shù)對人類的生活產(chǎn)生了深刻的影響。眾所周知信息的載體主要是電子和光子,從人類發(fā)明第一臺電子計算機,電子集成技術(shù)取得了巨大的成功,筆記本電腦和手機在今天成為日常生活的必需品。而未來信息技術(shù)的發(fā)展需要速度更快、信道更寬的集成芯片,而光子就是世界上最快的信息載體,因此光子集成芯片對未來信息技術(shù)的發(fā)展具有重要的應(yīng)用價值。但是,相比電子集成技術(shù)而言,光子集成技術(shù)卻要相對落后很多。主要是因為光子的波長比電子要大很多,光子器件的集成化比電子器件的集成化要難很多,物理上需要解決很多問題。根據(jù)波動光學(xué)的惠更斯原理,光在空間中的傳播可以通過電磁波的波前運動來描述。如果我們能夠在微小尺度下控制光子的波前,就能在芯片上控制光子的運動,實現(xiàn)各種光子集成器件。為此,科學(xué)家提出了各種不同的結(jié)構(gòu)體系來實現(xiàn)光子集成芯片,例如：光子晶體、金屬表面等離激元、超構(gòu)材料等等。另一方面,愛因斯坦的廣義相對論對于人類認(rèn)識宇宙起源和天體的運動取得了巨大的成功。根據(jù)這個理論,光子在引力場中沿著曲線傳播,可以看作是在彎曲時空中的測地線運動。因此,如果我們能夠控制時空的彎曲結(jié)構(gòu),就能夠控制光子的傳播。但是控制宇宙時空的彎曲遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了目前人類科學(xué)技術(shù)的發(fā)展水平。后來,理論學(xué)家發(fā)現(xiàn)光在不均勻材料中的傳播與光在彎曲時空中的傳播之間有很好的等價性。因此,有人提出,雖然人們不能在宇宙中控制時空的彎曲,但是人們可以用不均勻材料來模擬引力場的彎曲時空。最近,隨著微納光子學(xué)的發(fā)展,人們提出了變換光學(xué)方法,其基本思想就是從材料電磁本構(gòu)方程出發(fā),利用材料的電磁參數(shù)與時空度規(guī)的等價性,在超構(gòu)材料中控制折射率的不均勻分布來模擬彎曲時空,在微小的光學(xué)芯片上“以小見大”,從而在實驗室的環(huán)境里模擬廣義相對論所預(yù)言的現(xiàn)象,尤其是由于目前天文觀測手段的限制而無法直接觀察到的現(xiàn)象,這在物理上具有很重要的科學(xué)意義。同時,人們可以將這種變換光學(xué)的方法應(yīng)用到光子集成芯片的設(shè)計上,調(diào)控光子在光子集成芯片上的傳播,為下一代速度更快、信道更寬的集成芯片提供新的技術(shù)途徑。雖然變換光學(xué)的理論方法非常簡潔漂亮,給了人們很大的想象空間來設(shè)計各種器件,但在實際材料中實現(xiàn)起來,卻是非常困難。傳統(tǒng)的變換光學(xué)材料是通過金屬共振單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)的連續(xù)改變來控制空間折射率的分布,這種技術(shù)對波長較長的電磁波是很容易實現(xiàn)的,而對于短波長電磁波是非常難的事情。特別是在光學(xué)波段,要在非常小的納米尺寸范圍內(nèi),連續(xù)地改變折射率的分布,在技術(shù)上面臨很大的挑戰(zhàn)。另外,用金屬制備的變換光學(xué)材料,對高頻電磁波具有嚴(yán)重的損耗,這也大大限制了其在光學(xué)波段的應(yīng)用。因此,變換光學(xué)的實驗主要還是在微波范圍內(nèi)實現(xiàn),而可見光波段的變換光學(xué)研究,大多數(shù)還是局限在理論設(shè)計層面。為了在可見光波段變換光學(xué)的實驗技術(shù)方面取得突破,我博士期間嘗試了多種制備工藝,最后終于找到了一種非常有效的方法來實現(xiàn)可見光波段變換光學(xué)器件。實驗中,我沒有采用傳統(tǒng)的金屬共振結(jié)構(gòu),而是在課題組原來研究的基礎(chǔ)上,采用平板波導(dǎo)來制作變換光學(xué)器件。對于平板介質(zhì)波導(dǎo)來說,波導(dǎo)模的等效折射率是隨著波導(dǎo)的厚度變化而連續(xù)改變的。實驗中,我通過光刻膠的旋涂工藝制作厚度變化的聚合物波導(dǎo),以此來控制等效折射率分布。通過這種技術(shù),我們在一塊微小的光子芯片上,實現(xiàn)了等效折射率具有類似中心引力場分布的各種變換光學(xué)波導(dǎo),模擬了幾種廣義相對論的現(xiàn)象,并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了幾類具有光波前控制功能的集成光子芯片。另外,傳統(tǒng)的變換光學(xué)測量是通過近場探針掃描技術(shù),這種技術(shù)對于長波長電磁波有很好的探測效果,但對于短波長電磁波,特別是可見光信號,很難達(dá)到高分辨探測成像的效果。為此,在課題組技術(shù)積累的基礎(chǔ)上,采用了一種量子點熒光探針顯微成像技術(shù),將這種技術(shù)用于變換光學(xué)的測量,成功地表征了各種彎曲時空中光子的傳播過程。論文主要分為以下幾個部分：1、研究在變換光學(xué)波導(dǎo)中,控制波導(dǎo)的厚度,來控制等效折射率的分布,實現(xiàn)模擬黑洞周圍的中心引力場的分布。在實驗上觀察到由于黑洞的強引力透鏡效應(yīng)引起的光束偏折、光子捕獲,以及光子在“黑洞”視界附近的傳播行為。2、研究在變換光學(xué)波導(dǎo)的中,將彎曲空間的概念進一步拓展到對在波導(dǎo)中傳播光束的波前調(diào)控,在實驗上通過模擬愛因斯坦環(huán)來控制光束的聚焦,利用引力場的潮汐力實現(xiàn)非衍射的準(zhǔn)直光束,同時提出了在引力場中實現(xiàn)任意加速光束的理論模型。3、研究變換光學(xué)波導(dǎo)中光束的動態(tài)調(diào)控效應(yīng),利用在外界控制激光場下的聚合物本身的光熱效應(yīng),在變換光學(xué)波導(dǎo)中產(chǎn)生非均勻等效折射率分布的中心勢場。通過改變控制激光,動態(tài)地控制在介質(zhì)波導(dǎo)中光束的傳播,從而實現(xiàn)了一種動態(tài)可調(diào)的變換光學(xué)器件。4、研究變換光學(xué)表面等離激元的納米聚焦,利用金屬微球嵌在金屬／介質(zhì)／金屬的三明治的簡單結(jié)構(gòu)中模擬了SPPs的黑洞,實現(xiàn)黑洞引力場的奇異點,實現(xiàn)了對SPPs的捕獲與聚焦。我們同時利用數(shù)值模擬方法,研究在該體系中微球的尺寸以及不同的激發(fā)波長對SPPs的光場捕獲的影響。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O412.1

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本文編號：1427345