【摘要】：實(shí)現(xiàn)對光場頻率、振幅、相位和偏振態(tài)等多個(gè)維度的自由操控,進(jìn)而獲得小型化、輕質(zhì)化和集成化的光學(xué)器件是目前國際上微納光學(xué)和信息光學(xué)領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容。二維人工光學(xué)微結(jié)構(gòu)——超表面的提出,為在微區(qū)實(shí)現(xiàn)光場調(diào)控提供了一種全新的方式。利用超表面不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對光波頻率、振幅和偏振態(tài)的靈活操控,同時(shí)還能夠在亞波長尺度下實(shí)現(xiàn)對光場相位的有效控制,因此超表面在光場操控方面具有廣泛的應(yīng)用前景和應(yīng)用價(jià)值,相關(guān)研究為微納光學(xué)領(lǐng)域光學(xué)器件未來的研究、設(shè)計(jì)和發(fā)展提供了無限的可能性。實(shí)現(xiàn)對光場在不同維度下的靈活控制是目前超表面研究領(lǐng)域的熱門方向,由此產(chǎn)生的新的光學(xué)現(xiàn)象和性能優(yōu)異的光學(xué)器件開始受到人們越來越多的關(guān)注。本文以解決超表面光場調(diào)控研究前沿領(lǐng)域的關(guān)鍵性問題為研究的出發(fā)點(diǎn),通過引入新材料、新設(shè)計(jì)和新物理的方式,解決了超表面光場調(diào)控相關(guān)研究和應(yīng)用中存在的部分關(guān)鍵問題并對新產(chǎn)生的光學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行了深入研究。在光場振幅調(diào)控研究中:利用少層超表面設(shè)計(jì)方式,通過將兩種具有不同光學(xué)功能的超表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行巧妙的組合,在近紅外波段首次實(shí)現(xiàn)了一種寬帶線偏振光非對稱單向透過現(xiàn)象;通過引入新二維材料—石墨烯的方式,利用石墨烯平面手性鏤空結(jié)構(gòu)首次在近紅外波段實(shí)現(xiàn)了對圓偏振光非對稱透過現(xiàn)象產(chǎn)生波段的線性動態(tài)調(diào)控。在光場偏振態(tài)調(diào)控研究中:通過將L型微結(jié)構(gòu)與納米天線陣列結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式,實(shí)現(xiàn)了對L型結(jié)構(gòu)線偏振光垂直轉(zhuǎn)換效率的有效控制和顯著增強(qiáng),并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了非對稱的線偏振光垂直轉(zhuǎn)換現(xiàn)象;利用具有各向異性光學(xué)響應(yīng)的超薄金納米天線陣列在近紅外波段實(shí)現(xiàn)了寬帶高效的光場線偏振態(tài)與圓偏振態(tài)間的相互轉(zhuǎn)換。在光場相位調(diào)控研究中:創(chuàng)新性地提出了一種由金納米天線柱型結(jié)構(gòu)組成的相位梯度漸變超表面,在近紅外波段實(shí)現(xiàn)了對圓偏振光場相位在亞波長尺度下的高效調(diào)控,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了高效率和可調(diào)控的基于幾何相位的光子自旋霍爾效應(yīng)。該項(xiàng)設(shè)計(jì)的效率與傳統(tǒng)單層金屬超表面結(jié)構(gòu)相比有了顯著提高,因此為基于金屬材料的超表面的設(shè)計(jì)提供了新的方式。在光場聯(lián)合多維度調(diào)控研究中:利用金納米天線少層超表面設(shè)計(jì)在近紅外波段實(shí)現(xiàn)了對光場振幅和相位的高效同時(shí)操控,并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了偏振選擇的異常反射和異常折射現(xiàn)象的同時(shí)產(chǎn)生;通過兩種具有不同空間對稱性的金納米天線少層超表面設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了對光場偏振態(tài)和振幅的同時(shí)控制,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了光場的自旋選擇透過。
【圖文】：

數(shù)設(shè)計(jì)精妙的光學(xué)器件被不斷的提出用以實(shí)現(xiàn)特定的光學(xué)功能或?qū)W現(xiàn)象。隨著相關(guān)理論研究的不斷深入，人們逐步發(fā)現(xiàn)了一系列自在的新奇光學(xué)現(xiàn)象；這些現(xiàn)象的產(chǎn)生并不違背物理學(xué)的基本定律界中存在的材料并不具備相應(yīng)的光學(xué)性質(zhì)，因而這些新奇的光學(xué)現(xiàn)并不能被觀察到。因此，擺脫自然界有限的光學(xué)材料對光學(xué)現(xiàn)象和和實(shí)現(xiàn)的限制成為了近代光學(xué)研究的重要方向。料的光學(xué)響應(yīng)主要由材料的介電常數(shù) 與磁導(dǎo)率 決定[2]。從物理的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率描述了光場與材料的相互作用。如圖 1.1 所示，質(zhì)可以用由介電常數(shù)和磁導(dǎo)率構(gòu)成的參數(shù)空間進(jìn)行分類，具有不同導(dǎo)率的材料可以全部放置于參數(shù)空間�？諝獾慕殡姵�(shù)和磁導(dǎo)率自然界中的大多數(shù)材料都集中于 = 0的這條線上，大多數(shù)電介質(zhì)材都大于 0而磁導(dǎo)率都等于 0；金屬、鐵電材料和摻雜半導(dǎo)體材料在段可能會存在負(fù)的介電常數(shù)，而部分鐵氧體材料的磁導(dǎo)率會出現(xiàn)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)值的材料在自然界中還沒有被發(fā)現(xiàn)。

圖 1.2 超材料相關(guān)研究與應(yīng)用。(a)負(fù)折射效應(yīng)[7]。(b) 光學(xué)隱身[9]。(c) 手性光學(xué)響應(yīng)[10]。(d) 人造磁性材料[11]。 (e) 光學(xué)黑洞[12]。(f) 超分辨成像[13]。研究[6-19]。2010 年 Science 雜志審視了進(jìn)入新千年以來所取得的重要的科學(xué)進(jìn)步，，評選出了 10 項(xiàng)重要科學(xué)成就（InsightsoftheDecade），超材料位列其中。Scienc雜志對超材料給出的評語是光學(xué)中不尋常的新把戲(Strange New Tricks WithLight)，足可看出超材料的產(chǎn)生對現(xiàn)代光學(xué)的研究和發(fā)展產(chǎn)生了重要影響，提供了新的契機(jī)。同時(shí)，超材料在軍事領(lǐng)域的巨大應(yīng)用價(jià)值也受到了廣泛的關(guān)注，被美國國防部評為 2013-2017 年科技發(fā)展“五年計(jì)劃”中重點(diǎn)關(guān)注的六大顛覆性基礎(chǔ)研究領(lǐng)域之一。在過去的十多年中，超材料在微波波段的研究較為廣泛，包括負(fù)折射，光學(xué)隱身等現(xiàn)象都是首先在微波波段被實(shí)現(xiàn)。由于微波的波長較大，因此微波波段的超材料在制備和加工上都比較容易，這為超材料的研究提供了很大的便利。而在光波波段，受限于微結(jié)構(gòu)加工制備技術(shù)的發(fā)展，超材料的相關(guān)研究并不充分。由于光波波段的超材料結(jié)構(gòu)精細(xì)，因此其加工與制備不僅復(fù)雜而且需要很高的成本
【學(xué)位授予單位】：南開大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB306;O436.3

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本文編號：2684997