【摘要】：超材料由人工設(shè)計(jì)的單元組成,它的電磁參數(shù)任意可調(diào),具有自然界材料所不具備的新穎電磁特性。表面等離激元的等效波長(zhǎng)小于自由空間波長(zhǎng),利用它能夠突破衍射極限。將兩者結(jié)合起來(lái),借助超材料電磁參數(shù)任意可調(diào)和表面等離激元能夠突破衍射極限的特性,可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)器件的小型化、集成化以及多功能化。本論文通過(guò)設(shè)計(jì)人工微結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波進(jìn)行有效調(diào)控,實(shí)現(xiàn)了等離激元誘導(dǎo)透明、偏振調(diào)控、光束聚焦以及偏振解析等一系列光學(xué)效應(yīng),并探究了其在光電子器件上的應(yīng)用。主要研究?jī)?nèi)容與創(chuàng)新點(diǎn)如下:一、在單個(gè)諧振腔調(diào)制的金屬-介質(zhì)-金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了類(lèi)電磁誘導(dǎo)透明效應(yīng)。利用傳輸線(xiàn)理論,建立了一個(gè)修正的傳輸線(xiàn)模型來(lái)闡述諧振腔中激勵(lì)的兩種正交的電磁場(chǎng)模式。理論解析和數(shù)值模擬結(jié)果的一致性充分驗(yàn)證了傳輸線(xiàn)模型的有效性。此外,建立了兩個(gè)類(lèi)似于原子系統(tǒng)中電磁誘導(dǎo)透明的三能級(jí)體系模型,揭示了類(lèi)電磁誘導(dǎo)透明效應(yīng)的內(nèi)在物理機(jī)制。結(jié)果發(fā)現(xiàn),水平激勵(lì)的類(lèi)電磁誘導(dǎo)效應(yīng)具有更好的光譜特性以及更大的群折射率。該結(jié)果將加深對(duì)類(lèi)電磁誘導(dǎo)透明效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理的理解,為高度集成光學(xué)器件中電磁波的調(diào)控提供理論指導(dǎo)。二、提出了一種概念上全新的設(shè)計(jì)原理,設(shè)計(jì)了具有一些奇異功能的超薄平面超波片。通過(guò)設(shè)計(jì)兩種不同的切口結(jié)構(gòu),將帶有自旋角動(dòng)量的入射圓偏振光轉(zhuǎn)化為具有相反軌道角動(dòng)量的等離激元模式。產(chǎn)生的兩種等離激元模式在近場(chǎng)范圍內(nèi)相互作用,最終在遠(yuǎn)場(chǎng)上轉(zhuǎn)化為不帶有角動(dòng)量的線(xiàn)偏振光。在此過(guò)程中,入射光帶有的角動(dòng)量被湮滅掉,此時(shí)的超波片結(jié)構(gòu)體現(xiàn)出了四分之一波片的功能。然而,與傳統(tǒng)的四分之一波片相比,該超波片具有單向轉(zhuǎn)化的性能(只能將圓偏振光轉(zhuǎn)化為線(xiàn)偏振光),并且轉(zhuǎn)化的線(xiàn)偏振光具有特定的出射偏振角。此外,該超波片可以具有手性材料的特性,可以在一個(gè)寬波段范圍內(nèi)展現(xiàn)旋光效應(yīng)。三、基于超表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一個(gè)超薄的反射式平面超透鏡,利用它可以實(shí)現(xiàn)突破衍射極限的多功能聚焦效應(yīng)。根據(jù)等光程差原理,推導(dǎo)了多功能聚焦解決相位補(bǔ)償需要滿(mǎn)足的相位分布。根據(jù)相位公式,設(shè)計(jì)了具有突破衍射極限特征、高聚焦效率(85%)及寬帶聚焦效應(yīng)的中心聚焦超透鏡。同時(shí),為了展示反射超透鏡的靈活性,研究了偏心聚焦效應(yīng)以及橫向和縱向的雙聚焦效應(yīng)。由于倏逝波場(chǎng)增強(qiáng)機(jī)制的存在,所展示的聚焦效應(yīng)都能夠突破衍射極限。此外,還探究了超透鏡數(shù)值孔徑和透鏡結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)系,揭示了其對(duì)聚焦性能的影響。四、利用不具有旋轉(zhuǎn)不變性的超表面結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了寬波段偏振無(wú)依賴(lài)超透鏡。超透鏡的結(jié)構(gòu)單元由兩列能夠分別聚焦左旋圓偏振光與右旋圓偏振光的納米塊陣列結(jié)構(gòu)組成。基于此單元特性,設(shè)計(jì)的超透鏡可以實(shí)現(xiàn)偏振無(wú)依賴(lài)的聚焦效應(yīng)。上述功能的實(shí)現(xiàn),依賴(lài)于任意偏振光可以分解為一個(gè)左旋圓偏振光和右旋圓偏振光的組合。進(jìn)一步,提出了基于瓊斯矢量的理論方法揭示其潛在物理機(jī)制。同時(shí),通過(guò)使用時(shí)域有限差分法對(duì)偏振無(wú)依賴(lài)的聚焦效應(yīng)進(jìn)行了驗(yàn)證,并且在400nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了偏振無(wú)依賴(lài)的聚焦效應(yīng)。五、設(shè)計(jì)了一個(gè)新奇的偏振解析器件,它可以通過(guò)簡(jiǎn)單的測(cè)量過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)入射光偏振態(tài)的精確解析。偏振解析器件由兩個(gè)精心設(shè)計(jì)的分別聚焦兩種圓偏振光的超透鏡組成。因此,對(duì)于任意的入射偏振光(視為左旋和右旋圓偏振光的組合),兩個(gè)超透鏡在聚焦效率上就會(huì)有所差異,這一差異反過(guò)來(lái)可用于解析入射光的偏振態(tài)。結(jié)合理論和數(shù)值模擬,推導(dǎo)出了偏振解析的一般化公式,利用該公式可以計(jì)算入射光的橢偏率,為精確解析入射光偏振態(tài)提供一種新的方法。進(jìn)一步,由于超透鏡的寬帶聚焦效應(yīng),該解析器件在400nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了偏振解析功能。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TB30;TB34
【圖文】：

第一章 引言1957 年，Ritchie 在 Pines 工作的基礎(chǔ)上，將金屬換成金屬薄片，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電子束通過(guò)金屬薄片時(shí)也會(huì)出現(xiàn)能量損失現(xiàn)象，并將這一現(xiàn)象歸因于等離子體模式的產(chǎn)生[25]。1968 年，Otto 利用衰減全反射(Attenuated Total Reflection, ATR)方法成功地實(shí)現(xiàn)了 SPPs 的光激發(fā)[26]。同年，Kretschmann 對(duì) Otta 的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)提出了應(yīng)用最廣泛的 SPPs 激發(fā)模型[27]。1998 年，Ebbesen 等人首次發(fā)現(xiàn)了亞波長(zhǎng)金屬孔陣列結(jié)構(gòu)的異常光透射(Extraordinary optical transmission，EOT)現(xiàn)象[28]，至此對(duì) SPPs 的研究迅速發(fā)展起來(lái)。

對(duì)介電常數(shù)的實(shí)部為負(fù)值，虛部可以表示為" 2 3/p ，且該值在低頻情況下，帶間躍遷效應(yīng)對(duì)介電常數(shù)的影響較小，Drude 模型描述金屬的色散特性。當(dāng)電磁波的頻率較高時(shí)，帶間躍遷效應(yīng)對(duì)介大，并且光子能量越大其影響就越顯著，所以科研人員對(duì) Drude 模，用 描述當(dāng) 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于p 時(shí)的 值。修正后金屬的相對(duì)介電常22( )pi 限大金屬和介質(zhì)界面上產(chǎn)生的 SPPs 是由金屬和電介質(zhì)兩種材料的圖 1.2 中分別展示了金屬和介質(zhì)界面上激發(fā)的 SPPs 以及垂直于金屬電場(chǎng) Ez的分布。(a) (b)

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