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硅基超表面光场调控研究

王浩宇  
【摘要】:光学超表面是由亚波长尺度的单元结构,组成的有序二维平面周期性结构。通过对结构与光场的散射作用,实现对光场的振幅,位相和偏振的精确调控。相比于传统的光学元件,超表面具有结构简单、设计方便、易加工、损耗小等突出特点,在光场调控和光场生成等方面有着重要的应用价值,在集成光学和光学器件方面有着特有的优越性。本论文旨在充分发挥超表面在光场调控中的巨大优势,围绕硅基超表面的设计、加工以及其光场调控中的物理原理、光学特性进行细致的研究。设计了高效生成艾里光场的硅基超表面,实现了对艾里光场传播轨迹的调控。提出了一种多功能复合超表面的设计方法,实现了双折射分束器和双焦点超透镜的设计。提出了实现巨大旋光并消除圆二色性的光场调控方法,并设计易加工的手性超表面进行验证。借助电子束光刻工艺,对上述设计的硅基超表面进行了加工。本论文的主要研究成果如下:1.研究了硅基超表面实现光场调控的物理机制。基于琼斯矩阵,给出了超表面实现偏振和位相调控的多种设计方法,分析了每种设计方法的调控特点和适用范围。结合时域有限差分的数值模拟手段,给出了获取纳米单元结构的琼斯矩阵的方法。2.采用几何位相的超表面光场调控手段,设计并加工了高效生成艾里光场的硅基超表面。基于几何位相的调控原理,生成了一对空间自旋分离的左旋偏振艾里光场和右旋偏振艾里光场。在艾里光场角谱位相基础上,附加梯度位相的方法,实现了对艾里光场的空间传播轨迹的有效调控。实验上,对艾里光场的偏振特性、非衍射特性、自加速特性和自恢复特性进行了光学表征。在可见光波段40nm的范围内,得到了超过50%的高转化效率。3.提出了偏振复用的多功能超表面设计方法。当线偏光入射时,对出射光中的平行分量和正交分量实现了独立的位相调控。实现了双折射分束器和双焦点超透镜的设计。实验上,设计了两个焦点空间纵向和横向的分离的四种超透镜,并对焦点的光学特性进行了表征。4.提出了实现巨大旋光并消除圆二色性的光场调控方法。设计了易加工,工作波长在可见光波段的手性超表面进行验证。分析了手性超表面的模式响应,对旋光现象的产生进行了解释。通过对手性超表面的参数调节,实现了对旋光角度的控制。实验上,在入射波长为643nm,实现了无圆二色性的巨大旋转角度54°。5.对硅基超表面的加工进行总结和归纳。对重要的微纳加工过程镀膜、刻蚀、曝光等方法进行了介绍,并给出了具体的工艺使用范围。结合硅基超表面的加工经验,给出了重要步骤的注意事项,和一些常见问题的解决方法。本论文的创新点和特色:1.利用超表面几何位相的高效位相调控机制,实现了一对自旋分离的艾里光场生成。通过附加梯度位相的方式,实现了艾里光场的无干扰独立传播及空间传播轨迹的调控。实验上,入射波长为650nm时,艾里光场的生成效率可达63%,且具有宽谱特性,在可见光40nm范围内,生成效率超过50%。2.提出了消除圆二色性并获得巨大光学旋光的超表面设计方法。设计了可加工,可调控并且以左旋偏振光和右旋偏振光作为本征偏振的单层手性超表面结构。实验上,在入射波长643nm,探测到旋转角度为54°(131700°/mm)的无圆二色性巨大旋光现象。3.提出了一种偏振复用的多功能超表面设计方法,可以实现对与入射光垂直和平行两个偏振分量的位相调控,且两种偏振分量的强度可以通过超表面的设计进行调节。


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