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基于超表面自旋轨道相互作用的晶格和阵列矢量光场调控研究

张瑞瑞  
【摘要】:对新型空间结构光场的探索与调控是当前光学领域的前沿研究热点之一,以理想的方式控制光场的相位和偏振是光场调控的关键。超表面由空间非均匀各向异性微纳结构组成,在与光相互作用的过程中显现出强烈的自旋-轨道相互作用而产生空间变化的光学响应,这使得超表面能够在亚波长尺度内有效调控电磁波的偏振和相位。通过改变超表面单元结构的旋转角度、几何形状、大小和尺寸可以简单灵活地实现对光场的激发、传输与空间分布的调制。目前超表面的各种重要应用包括宽带消色差超透镜、全息、高效偏振器件、涡旋和矢量光束产生器件等,具有优于传统光学器件的现象和功能。晶格光场是具有周期性分布的结构化势场,最初用来捕获和囚禁超冷原子以实现对单个原子的操控。随着科技的发展,晶格光场被应用于光子晶体光刻、微流体分选、超分辨显微等多个研究领域。此外,将涡旋特性与传统晶格光场相结合形成具有周期性相位奇异的二维晶格光场引起了科学界的广泛关注,相比于没有螺旋相位变化的晶格光场具有更大的应用前景。利用超表面产生拓扑态可调的亚波长晶格光场可以极大简化光学系统的体积,并可能应用于经典物理和拓扑光子学等领域。矢量光场是一种新型的结构化光场,在携带有轨道角动量的同时具有横截面各向异性分布的偏振态,可以用高阶庞加莱球、杂化庞加莱球及广义庞加莱球进行描述。阵列矢量光场是按照一定规则排列的周期性矢量光场,由于其周期性空间分布和传播时的相干性等特性,在光学捕获、光学加工和量子科学领域中起到重要作用。现阶段阵列矢量光束的产生主要依赖于复杂的传统光学元件,而利用超表面结构实现亚波长尺度的阵列矢量光场对推动高阶庞加莱球阵列矢量光束向亚波长尺度方向发展具有重要意义。本论文利用等离激元超表面对光场相位和偏振态的控制规律,实现了纳米尺度的晶格光场和高阶庞加莱球上Bell态阵列矢量光场的产生与调控;基于超表面的自旋-轨道相互作用使光场调控具有更高的偏振自由度这一特点,实现了拓扑态独立可控的双偏振通道纳米晶格光场。本论文的研究内容如下:1.绪论部分概述了本论文内容相关领域的研究背景。首先介绍了等离激元的基本概念、特性及应用;介绍了超表面的概念,分析了基于超表面的广义斯涅耳定律、超表面的相位调控方式及其典型功能器件;介绍了自旋-轨道相互作用现象在光学中的基本起源和重要应用;介绍了偏振态及相关偏振器件;介绍了涡旋光束、矢量光束的基本特性以及矢量光束在高阶庞加莱球上的描述;概括并分析了宏观尺度涡旋阵列光束和晶格光场的特征及产生方法,以及基于等离激元微纳结构和超表面产生亚波长晶格光场的研究现状。2.第二章通过在分段螺旋线上排列旋转的正交纳米缝对结构,实现了圆偏振亚波长光学晶格场的产生和调控。首先,利用金属纳米缝激发表面等离激元的原理分析得出每对纳米缝的功能等效于一个二分之一波片,具有将入射圆偏振光转化为手性反转的圆偏振光的功能。将纳米缝对作为结构单元旋转排列在分段螺旋线上,模拟多光束干涉并通过调整缝对的旋转和螺旋线的螺距分别调整超表面的几何相位和动态相位,以调整相邻两段螺旋线激发光束的相位差,从而达到调控光学晶格拓扑态的目的。理论分析得到了Hexagonal、Hexagonal vortex、Kagome以及Honeycomb四种拓扑态的光学晶格场的表达式,总结了螺旋线螺距、纳米缝对的旋转速度和入射圆偏振光的手性对晶格拓扑态的调控规律。以Honeycomb晶格场为例,通过改变各段螺旋线的长度分析并讨论了光学晶格场的演化过程。根据公式计算理论结果并与FDTD模拟结果相比较。实验搭建马赫-曾德尔干涉系统记录四个超表面产生的四种光学晶格场的光强图样以及其与参考光的干涉条纹,经计算提取了晶格光场的相位分布。最后,对实验结果进行分析和讨论,证明了利用分段螺旋超表面产生并调控亚波长光学晶格场的可行性。3.第三章提出超表面中光的自旋-轨道相互作用可以实现对双偏振通道光场的调控,基于多光束干涉原理设计了由金属纳米缝阵列组成的圆形孔径分别排列在圆和螺旋线上两种超表面,分别实现了双偏振通道的具有独立拓扑态的亚波长光学晶格场。首先推导出单个纳米缝在圆偏振光入射下的激发光场是手性相反的两自旋通道中圆偏振光场的叠加,然后根据表面等离激元的惠更斯-菲涅尔原理,分析得出水平线偏振光激发下的超表面在其中心区域产生空间重叠的双偏振通道晶格光场。理论推导了偏振滤波的过程,最终在互相垂直的两个线偏振方向滤出两个相反自旋通道的晶格光场的表达式。总结了两种超表面对应的参数并且从相位的角度分析各偏振通道中光学晶格拓扑态的调控规律。分析并讨论了超表面产生双偏振通道晶格场的FDTD模拟结果。实验搭建马赫-曾德尔干涉系统和偏振滤波系统,分别记录两个超表面产生的双偏振通道晶格场的光强图样和干涉条纹,计算提取了各通道中晶格光场的相位分布。最后,对实验结果进行分析和讨论,验证模拟结果。4.第四章提出一种分立扇形区域内同心圆弧段上排布的单缝超表面以实现高阶庞加莱球赤道上的聚焦亚波长Bell态阵列矢量光场。在同心圆弧形成的分立扇形区域内排列单缝结构,模拟相邻光束间等相位差的多光束干涉,产生涡旋晶格光场。针对左右旋圆偏振入射光设计了旋向嵌套的两组超表面,各组超表面具有径向透镜相位和旋向涡旋相位分布,可实现正交圆偏振的拓扑荷相反的两组涡旋晶格光场的叠加。进而改变其中一组超表面纳米缝的初始取向角来调节两组晶格光场之间的相位差,获得庞加莱球赤道上四个Bell态,即|TM,|TE,|HEe和|HEo四种模式的阵列矢量光场。本章从理论上介绍了超表面透镜和涡旋相位分布的表达式和两种相位的组合方法。根据惠更斯-菲涅尔原理推导出距离超表面10微米横截面内的两组具有正交圆偏振和相反拓扑荷的涡旋阵列光场的表达式,以及两者叠加成为阵列矢量光场的表达式。分析并讨论了超表面产生阵列矢量光束的FDTD模拟结果,并用模拟数据计算了光场的偏振态分布,验证理论的可行性。


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