本文選題：超表面　切入點(diǎn)：相位操控　出處：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：電磁超表面(Metasurface)是一種由超結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的超薄二維陣列平面,可以在亞波長尺度下實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波相位、振幅、偏振的有效操控,已經(jīng)成為近幾年來超材料和納米科學(xué)研究領(lǐng)域的最新發(fā)展方向和研究熱點(diǎn)之一。相比于體塊超材料,超表面厚度遠(yuǎn)小于波長,損耗小且易于加工,在光束控制、光學(xué)天線、平面光學(xué)器件等諸多領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。尤其是近幾年來對(duì)硅、鍺、二氧化鈦等低損耗高折射率介質(zhì)的研究表明,全介質(zhì)的超結(jié)構(gòu)單元也能具有較強(qiáng)的磁響應(yīng),為提高超表面的效率和器件的性能提供了新的思路。本論文主要研究兩類典型的惠更斯超表面和幾何超表面的相位操控機(jī)理并探討其在全息、光束偏轉(zhuǎn)、聚焦等方面的應(yīng)用;考慮超結(jié)構(gòu)單元之間的相互作用,研究單元耦合形成的雜化模式特性并探討其在折射率傳感、光學(xué)濾波和調(diào)制方面的潛在應(yīng)用。研究了基于硅納米盤陣列的惠更斯超表面相位操控原理,揭示了低損耗介質(zhì)中同時(shí)存在的電偶極子諧振和磁偶極子諧振模式特性。通過Gerchberg-Saxton算法提取目標(biāo)圖像相位,利用7種不同半徑的硅納米盤超結(jié)構(gòu)單元在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)圖像的全息再現(xiàn),全息的光學(xué)效率達(dá)到23.6%,透射效率高達(dá)86%。提出了一種通過全介質(zhì)超表面空間復(fù)用實(shí)現(xiàn)彩色全息的方法,利用支持窄線寬響應(yīng)的硅納米棒實(shí)現(xiàn)幾何相位操控,通過不同基色的超表面復(fù)用還原任意的RGB圖像。進(jìn)一步分析了不同顏色之間的交叉串?dāng)_,基色的空間對(duì)準(zhǔn),入射光的功率分布,全息色度系統(tǒng)和電腦色度系統(tǒng)的顏色匹配等關(guān)鍵問題。利用惠更斯表面的概念設(shè)計(jì)了一種高透射的幾何超表面,通過對(duì)支持垂直電磁共振模式的硅十字形天線表面極化張量的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高效率的半波片。入射的左旋圓偏振光可以被幾乎完全轉(zhuǎn)換為右旋圓偏振光,效率達(dá)到98%。通過空間上旋轉(zhuǎn)天線的角度實(shí)現(xiàn)了0到2π的相位調(diào)制,同時(shí)也能保持不同旋轉(zhuǎn)角度下的高轉(zhuǎn)化效率。利用基于時(shí)域有限差分方法的數(shù)值模擬探討了其在光束偏轉(zhuǎn)、聚焦等平面光學(xué)器件中的應(yīng)用。研究了金屬二元周期超結(jié)構(gòu)單元的模式耦合特性,揭示了由于單元之間耦合雜化形成的同相和反相集體共振模式。分析了光學(xué)暗態(tài)和亮態(tài)的形成過程以及它們相互作用形成的法諾共振特性,研究表明法諾共振的線型可以通過兩套粒子的半徑差有效操控,品質(zhì)因子和光譜對(duì)比度雖然呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)但通過合理的參數(shù)優(yōu)化能同時(shí)達(dá)到較大的值,極大地提高了基于法諾共振的器件性能,對(duì)于折射率傳感器應(yīng)用來說其品質(zhì)因數(shù)相比于傳統(tǒng)的基于表面等離子體共振的傳感器提高1到2個(gè)數(shù)量級(jí)。研究了介質(zhì)二元周期超結(jié)構(gòu)單元的模式耦合特性,與金屬結(jié)構(gòu)不同,介質(zhì)中除了存在電偶極模式的雜化外還存在磁偶極和磁四極模式的耦合。分析了介質(zhì)中雜化模式的形成過程以及光譜特性,尤其是研究了由于多重光學(xué)暗態(tài)和亮態(tài)的相互作用形成的多重法諾共振并探討了其在折射率傳感器應(yīng)用中的性能。利用法諾共振尖銳的線型實(shí)現(xiàn)了近紅外波段的光學(xué)濾波器,通過兩套粒子半徑差有效操控濾波器的帶寬。利用液晶分子E7作為主動(dòng)介質(zhì)實(shí)現(xiàn)了基于法諾共振調(diào)制深度高達(dá)85%的光學(xué)調(diào)制器。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O43;TB383.1

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7 張路f，

本文編號(hào)：1604375