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微纳结构光场调控及精密位移测量研究

臧天阳  
【摘要】:随着激光技术的发展和微纳光子学的进步,在微纳尺度有效地调控光场受到广泛的关注。基于表面等离激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)、布洛赫表面波(Bloch Surface Wave,BSW)以及超表面(Metasurface)的微纳结构能够有效进行光场调制并产生各种新型结构光场,同时由于其振幅、偏振、位相的空间分布特点,结构光场在与物质相互作用时能产生诸多新颖特性,使其在光集成、光子芯片、高精度纳米测量等领域有重要的应用价值。基于此,本论文开展了结构光场的生成、调制及其超高精度位移测量的理论与实验研究。本论文的主要研究成果如下:1.发明了基于迈克耳孙干涉仪的新型空间光场生成方法与装置,该装置具有较高的集成度,能够同时实现偏振与位相调制并可以多路输出,能便捷地实现偏振基矢切换、功能性元件插入,具有极高的光场调制自由度,同时可以进行光场的无干扰检测;2.利用自由空间艾里光束与多层介质膜表面的光栅结构间耦合,生成了动态可调的布洛赫表面波艾里光束,实现了微纳结构对表面光场的动态调控,具有低损耗优势。通过复合表面等离激元与Tamm等离激元设计了荧光偏振开关,结合仿真计算进行了参数优化,获得了圆偏光手性调制的荧光垂直出射,可实现6.5dB的对比度;3.提出了残余透射光在超表面光场生成中的光场调制效应,分析并仿真了非理想超表面生成的光场形式。结合时域有限差分法,设计了在可见光范围工作的全硅超表面,并在实验上利用超表面柱矢量光生成器验证了残余光场对超表面生成光场的调制特性,为超表面光场调制提供了新的自由度;4.建立了金属膜双狭缝天线结构的双磁偶极子耦合模型,解析了结构光场与双狭缝天线间位置敏感的SPPs非对称激发过程。实验上利用聚焦高阶厄米高斯光场和傅里叶面泄露成像技术,实现了3.3nm位移横向分辨率以及3.1A位移敏感度的超高精度位移测量。本论文的创新点与特色:1.通过空间光调制器生成自由空间艾里光束,并利用多层介质膜表面光栅结构耦合,生成了介质负载且动态可调的低损耗布洛赫表面波艾里光束,为微纳结构的表面光场动态调控提供了简捷可靠的方法;2.分析了系统内残余光场对超表面生成场的调制作用,设计并制备了可见光波段的全硅超表面柱矢量光生成器,实验验证了残余光场对生成光场的影响,为超表面设计与光场调制提供了新思路和调控自由度;3.提出了金属双狭缝天线的双磁偶极子耦合模型,分析了其在结构光场激发下的SPPs非对称激发特性,并在实验上利用SPPs的傅里叶面泄露成像技术实现了纳米量级精度的横向位移分辨率,为光学校准、非接触位移测量提供了新思路与方法。


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