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基于介质谐振器的光学超表面器件

孙上  
【摘要】:光学超表面(metasurface)器件是微纳光学的热门研究领域之一,其在传感、成像、全息投影以及光电探测等领域具有很大的应用价值和潜力,而谐振器结构是超表面光学器件的重要组成。通过谐振器的引入,不再依赖厚度来相位积累,可以实现在亚波长尺寸的传播距离上对光的灵活控制。随着微纳制备工艺的进步,得到的谐振器单元结构质量越来越高,基于谐振器的超表面器件功能也逐渐增多。但是其面临的问题也十分明显:传统等离子体谐振器构成的超表面有很高的欧姆损耗,极大地限制了器件的工作效率,而常用硅介质材料在可见光波段也存在着同样的问题,如何实现可见光段高效率超表面器件仍然是个难题。此外超表面器件的光学响应往往在制备出来的同时也被固定下来,如何实现动态光调制非常关键。另外,可见光段超表面器件的制备往往需要精密的制备技术和时间成本,寻找新的机制降低制备难度,同时保证器件性能也是研究重点之一。最后,如何更好地结合新材料,构建复合光学超表面,进而拓展其在光波前调控之外更广阔的领域也急需研究。针对上述光学超表面面临的问题,本文主要研究了基于介质谐振器的光学超表面器件。本文从两个方面进行了研究和应用:一是在构成器件的材料上从有损耗的硅材料过渡为无损耗的二氧化钛材料,最后到有增益的钙钛矿介质材料;二是对光调制的内容上从简单的光谱调制到波前相位控制,最后到实现增益激光调制。此外,本文还开发了对超表面器件进行动态调控的方法,具体内容如下:(1)研究了光学结构中的Fano谐振特性,利用中红外硅基Fano谐振器构成的超表面形成高品质因子(Q值)谐振。数值模拟表明利用硅基谐振器之间的耦合,形成的谐振具有高达1839的Q值,对环境折射率的敏感度可以达到1200 nm/RIU以上,品质因子FOM能够达到185。之后采用Random-phase approximation理论描述石墨烯的光学性质,数值模拟超表面器件对石墨烯厚度变化的敏感度,结果显示品质因子高达6.5。(2)制备了高质量二氧化钛薄膜,在632 nm出折射率可达到2.2,虚部可以忽略不计。理论上设计了二氧化钛谐振器单元构成的超表面器件,电偶极谐振与磁偶极谐振之间相互耦合,在可见光光谱上实现窄带高反射调制,色度学上,光谱的特征表现为鲜艳、广色域的结构色。实验上进行了光学验证,峰值强度达到64%以上,半高宽30 nm,并证明了其角度不敏感和偏振不敏感特性。像素点测试证明该结构色超表面的空间分辨率可以达到16,000 dpi以上,并且实现了明亮、高对比度、高分辨率的彩色图像印刷。(3)二氧化钛结构色超表面与微流通道结合,实现了可重构的全彩色打印。数值分析表明环境折射率的变化会引起二氧化钛谐振器谐振光谱的变化,随着折射率升高会引起固定尺寸结构表现出的结构色红移。实验上,超表面结构与微流通道集成,通过通入水、二甲基亚砜以及二硫化碳,验证了环境折射率对光谱和结构色的调控效果。另外通过设计实现了对印刷信息的加密,并在高速摄像观测下,得到该器件颜色调控响应时间在16 ms甚至更短。(4)设计了低高宽比(1-1.5)的二氧化钛超表面,对正交偏振反射光能够实现-π到π的高效率全相位控制。理论上根据广义斯涅耳定律实现了相位梯度超表面设计,理论上效率可以达到80%。实验上在8°的角度上实现了异常反射,效率约占入射光总能量的49%。采用Gerchberg-Saxton算法和菲涅尔衍射过程经过优化求解获得目标图像的全相位分布图,实验制备和光学表征证明该超表面对红光(632 nm)、绿光(520 nm)以及蓝光(445 nm)在远场实现全息投影,并达到36.7%、24.5%和13.9%的转换效率。(5)通过一步溶液法制备了钙钛矿纳米带,作为谐振器与纳米金光栅构成复合结构。模拟和实验表明,通过激光泵浦,光的横向波导模式可以被限制在尺寸约为400 nm空气间隙内,并在光谱上观测到明显的激光特性,利用钙钛矿纳米带的单晶特性,实现高度均匀的纳米激光阵列,集成密度可以可以达到1250/mm。本文的研究工作为光学超表面器件的应用提供了实验和理论基础,基于本文实现的石墨烯厚度探测、高饱和度高分辨率彩色打印、动态可重构彩色打印、可见光全相位调制以及高密度激光阵列等结果,提升了光学超表面器件在传感、成像、光开关、全息投影以及生物医学等领域的实用性和应用潜力。


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