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空间结构光场生成及其与微纳结构相互作用的研究

毛磊  
【摘要】:激光的诞生,为信息技术发展、社会进步和人类文明产生了广泛、巨大而深远的影响,在诸多领域均扮演着极其重要且难以替代的角色。然而,随着对“光”的认识不断深入和各种需求的驱动,光场构造、操控的相关科学理论和应用技术一直是科学界研究的重要课题和国际竞相争夺的科技战略制高点。光场调控技术在激光工程、激光传输、光镊技术、显微成像等领域具有重要的应用。近年来,随着微纳光子学与技术的提出与发展,光场与表面等离激元(Surface Plasmon Polariton, SPP)结构、离散超表面(metasurface)结构的相互作用以及基于此类微纳结构的光场调控的相关研究,引起了广泛的关注。现阶段商业化空间光调制器的飞速发展,为光场调控提供了极高的自由度,具有新颖特性的空间结构光场与微纳结构相互作用必将导致新效应、新现象、新机理、新技术和新应用;同时构造微纳结构也为操纵光场提供了更灵活、更丰富的手段,因此,将光场特性、微纳结构及其耦合作用过程结合起来,开展新颖光场生成、调控及其与微纳结构相互作用研究具有重要的意义,可为诸多光学问题及应用提供解决及优化方案,比如:、高效、超强的纳米局域光场、高敏感度生物传感器、超分辨高效光谱探测、超分辨光学成像、高效太阳能电池、新型纳激光源等。基于此,本论文重点开展光场振幅、位相偏振调控的理论与实验工作,研究了不同位相分布的光场对激发表面等离激元、及其场分布的影响,制备设计了相关微纳结构并研究了其近远场分布的光学特性。主要研究成果如下:1.发明了一套基于改进型迈克尔逊干涉仪的多通道空间结构光场生成装置,在该简易系统中同时实现了对于振幅、相位和偏振的调控,光路的输出端是开放的,可以加入其它功能性光学元件,整个系统具有极高的自由度。2.研究分析了涡旋位相阶次对于光场半径的影响,实验测量了二者的关系曲线,基于此提出了一套测量涡旋位相阶次及其手性的方法;基于光束尺寸对于涡旋阶次的依赖性,通过调控入射场涡旋位相,实现了对于银膜表面SPP激发效率的显著提高;利用我们发明的多通道空间结构光场生成装置,研究了阶次相同或相反情况下的涡旋光场的同轴与离轴干涉效应;利用液晶空间光调制器生成了艾里光束与韦伯光束,并引入显微镜系统研究了二者同银膜表面的一维光栅结构的相互作用情况,发现入射场携带的相位信息会直接影响面内激发的SPP初始位相,进而调控面内SPP的场分布。3.基于最基本的Plasmonic lens结构——同心圆环结构,研究了线偏振光入射时该结构的偏振依赖光学各向异性特性。利用FDTD数值计算的方法研究了圆环半径、狭缝宽度、圆环数量及圆环周期对于远场辐射场的影响。得出了亚波长尺度下各结构参数对于TM与TE入射偏振所激发的Plasmonic模式和Photonic模式的振幅比的影响;利用FIB聚焦离子束刻蚀制备了相关结构,借助偏光干涉显微镜系统研究了该同心圆环结构中的光学各向异性特性,基于偏振干涉理论,提出了表面等离激元结构中TE、TM本征模式叠加模型,简明优美地分析了实验结果,并在此基础上,成功预言并实验测量验证了L型金属微纳孔洞结构的透射场远场分布,表明该模型为表面等离激元结构设计及其光场调控提供了理论支持。4.研究了金属阿基米德螺旋线微纳结构对于不同手性圆偏振光的响应特征,发现入射光的手性可以调控近场表面等离激元的强度与位相分布。为进一步研究解析近远场变换调控的物理过程,在该螺线结构中心复合了纳米光学天线,将表面等离激元聚焦场散射至远场,利用共焦显微技术实验研究了远场图像,进而提出了偶极子远场叠加理论模型,很好地分析了不同手性圆偏振光与金属阿基米德螺旋线耦合调控的远场特性,实现了一种通过改变入射场手性调控输出光偏振的光子器件。本论文的创新点与特色:1.发明了一套基于改进型迈克尔逊干涉仪的多通道空间结构光场生成装置,在该系统中同时实现了对于振幅、位相和偏振的调控,利用该装置实验上得到了径向与角向偏振光、任意阶次的涡旋光场、艾里光束、韦伯光束以及任意振幅分布的输出。2.提出了表面等离激元结构中TE、TM本征模式叠加的理论模型,系统研究了金属微纳结构的结构参数对于不同偏振入射的透过率依赖关系,基于该理论分析模型,提出了一种计算微纳结构远场强度分布的方法,并实验设计制备了不同参数的金属同心圆环结构进行了有效的验证。3.提出了中心复合纳米光学天线的金属阿基米德螺线结构,理论分析和实验研究了该金属结构的近远场转换的物理过程,发现对于本身具有手性的微纳结构,同入射场相互作用过程中,光场的角动量信息会有效的转换至近场分布,进而实现了对于入射场手性响应的偏振输出光子器件。


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