【摘要】：光場(chǎng)調(diào)控是光學(xué)領(lǐng)域研究的重要課題,一直以來,人們都期望能夠?qū)崿F(xiàn)光場(chǎng)的任意調(diào)控。光場(chǎng)調(diào)控通常是對(duì)振幅、相位、偏振及頻率等描述光波特性的基本參量的調(diào)控,其中對(duì)相位和偏振的調(diào)控是實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)控制的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的控制波前的方法主要是通過控制光學(xué)元件的空間變化的折射率和邊界的幾何形狀來實(shí)現(xiàn)。但是,由于其體積大、重量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及功能單一等特點(diǎn),已經(jīng)無法滿足小型化,集成化,多功能化的形勢(shì)需求。光學(xué)超表面是具有亞波長(zhǎng)間隔的納米單元排列成的二維表面材料結(jié)構(gòu)。它利用單元的光學(xué)共振響應(yīng),在亞波長(zhǎng)尺度上改變局域光波分布,實(shí)現(xiàn)全域光場(chǎng)控制。最近幾年由新結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的超表面不斷被提出,其小型化平板特征及可取代傳統(tǒng)折射光學(xué)元件的前景吸引了研究者的廣泛關(guān)注,其應(yīng)用領(lǐng)域迅速拓展;重要的應(yīng)用包括可見寬波段光束偏折、超透鏡、自旋軌道角動(dòng)量轉(zhuǎn)換、渦旋光束產(chǎn)生、單色、彩色、消色差全息、矢量全息和拓?fù)涔庾訉W(xué)光波傳輸控制等。矢量光場(chǎng)作為實(shí)現(xiàn)相位和偏振調(diào)控的典型代表,其空間非均勻的偏振態(tài)分布為光場(chǎng)的時(shí)空演化和光與物質(zhì)的相互作用帶來新的效應(yīng),并極大促進(jìn)了矢量光束在量子信息、量子糾纏、光學(xué)微操縱、緊聚焦、超分辨成像以及激光加速等經(jīng)典物理和量子科學(xué)領(lǐng)域的研究。由于矢量光場(chǎng)多樣化的偏振態(tài)分布,高階龐加萊球、雜化龐加萊球及廣義龐加萊球相繼被提出以對(duì)不同矢量光束進(jìn)行描述和分類,在一定程度上加快了矢量光場(chǎng)的研究進(jìn)展。本論文基于超表面對(duì)相位和偏振的控制實(shí)現(xiàn)矢量光束及高階龐加萊球光束的產(chǎn)生,利用超表面對(duì)相位的調(diào)控對(duì)表面等離激元場(chǎng)軌道角動(dòng)量的疊加態(tài)進(jìn)行控制。本論文的研究?jī)?nèi)容如下:1.概述了等離激元的基本概念及應(yīng)用;介紹了有關(guān)超表面的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展以及并對(duì)基于超表面的功能器件進(jìn)行了系統(tǒng)的文獻(xiàn)綜述和分析;綜述了偏振的四種描述方法,概述了渦旋光束的基本概念及軌道角動(dòng)量疊加態(tài)的研究進(jìn)展。綜述了高階龐加萊球、雜化龐加萊球以及廣義龐加萊球等三類矢量光場(chǎng)偏振態(tài)的描述方法,并進(jìn)行了系統(tǒng)的文獻(xiàn)綜述和分析。2.第二章主要提出了利用由正交納米縫對(duì)組成的螺旋超表面在表面等離激元(SPP)場(chǎng)中產(chǎn)生徑向偏振矢量渦旋的方法。首先在理論上利用表面等離激元的激發(fā)原理推導(dǎo)出一對(duì)納米縫的激發(fā)公式,根據(jù)激發(fā)公式的特點(diǎn)將納米縫對(duì)與阿基米德螺旋線相結(jié)合來構(gòu)造螺旋超表面。利用惠更斯-菲涅爾原理推導(dǎo)出螺旋超表面中心區(qū)域x和y兩分量場(chǎng)的表達(dá)式。根據(jù)所得公式計(jì)算出理論結(jié)果并與軟件模擬結(jié)果相比較。在實(shí)驗(yàn)上搭建馬赫-曾德爾干涉系統(tǒng)記錄螺旋超表面透射光場(chǎng)四個(gè)分量的光強(qiáng)圖樣以及與參考光的干涉條紋。最后,對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行討論和分析,驗(yàn)證了利用螺旋超表面產(chǎn)生徑向偏振矢量渦旋這種方法的可行性。3.第三章提出一種可以克服線偏振方向依賴性的等離激元超表面,在入射的線偏振光為任意偏振角度的情況下都產(chǎn)生了徑向偏振矢量渦旋(RPVBs)。我們通過模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)矩形納米縫對(duì)單元結(jié)構(gòu),其出射偏振方向與入射偏振光的偏振方向無關(guān),只與納米縫對(duì)的旋轉(zhuǎn)方向有關(guān),且出射偏振方向始終與納米縫的方向垂直。因此我們將方位角度不斷旋轉(zhuǎn)的矩形納米縫對(duì)結(jié)構(gòu)排列成阿基米德螺旋線的形狀,阿基米德螺旋線半徑變化產(chǎn)生的螺旋相位對(duì)納米縫對(duì)旋轉(zhuǎn)引起的PB相位進(jìn)行補(bǔ)償,從而在不同的線偏振光照射下都產(chǎn)生了RPVBs。我們分別從理論推導(dǎo)、時(shí)域有限差分(FDTD)仿真和實(shí)驗(yàn)三方面對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。4.第四章主要提出了一種利用等離激元超表面實(shí)現(xiàn)表面等離激元場(chǎng)(SPP)軌道角動(dòng)量(OAM)任意疊加的方法。這種超表面結(jié)合了旋轉(zhuǎn)的矩形納米縫結(jié)構(gòu)和分段螺旋線結(jié)構(gòu),其中旋轉(zhuǎn)的納米縫會(huì)引入與其角度相關(guān)的幾何相位,分段的螺旋線會(huì)引入動(dòng)態(tài)相位,兩種相位的結(jié)合是實(shí)現(xiàn)OAM態(tài)疊加的關(guān)鍵。首先我們從單縫激發(fā)等離激元的理論出發(fā),發(fā)現(xiàn)由單個(gè)納米縫激發(fā)的SPP場(chǎng)包含兩個(gè)徑向分量:入射自旋和轉(zhuǎn)換自旋。由納米縫的旋轉(zhuǎn)引入的幾何相位只作用于入射自旋分量,得到兩倍于旋轉(zhuǎn)角度的螺旋相位波前。由螺旋線半徑變化引起的動(dòng)態(tài)相位會(huì)同時(shí)對(duì)兩個(gè)分量的相位進(jìn)行調(diào)制。通過改變超表面的幾何參數(shù)改變兩個(gè)分量的相位進(jìn)而實(shí)現(xiàn)可控制的OAM疊加。實(shí)驗(yàn)上通過掃描近場(chǎng)顯微鏡(SNOM)對(duì)四個(gè)樣品的SPP光場(chǎng)進(jìn)行了探測(cè),得到了與理論相符合的結(jié)果。5.第五章主要提出一種可以在亞波長(zhǎng)尺度對(duì)光波的相位和偏振同時(shí)調(diào)控產(chǎn)生高階龐加萊球光束的等離激元超表面結(jié)構(gòu)。超表面由旋轉(zhuǎn)角度可調(diào)且?guī)缀纬叽缈勺兊木匦渭{米縫與幾何參數(shù)可調(diào)節(jié)的分段螺旋結(jié)合而成。這種超表面將納米縫角度變化引起的幾何相位和螺旋線半徑變化引起的動(dòng)態(tài)相位相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)正交的拓?fù)浜蓴?shù)值相同符號(hào)相反的圓偏振渦旋的疊加,其中兩個(gè)渦旋的振幅可以通過改變納米縫的幾何尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié),二者之間的相位差可以通過改變納米縫的旋轉(zhuǎn)角度來改變。而且通過改變納米縫的旋轉(zhuǎn)階數(shù)和螺旋線的幾何參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)任意階矢量光束的產(chǎn)生。我們基于偏振轉(zhuǎn)化的理論對(duì)上述方法進(jìn)行了驗(yàn)證,并通過實(shí)驗(yàn)的方法實(shí)現(xiàn)了龐加萊球赤道上的柱對(duì)稱性矢量光束的產(chǎn)生,實(shí)現(xiàn)了龐加萊球一條完整經(jīng)線上從左旋圓偏振渦旋到右旋圓偏振渦旋的光束的演化過程,并進(jìn)一步而且還可以實(shí)現(xiàn)了任意高階徑向偏振及旋向偏振的矢量光束的產(chǎn)生,實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常理想。該方法提供了一種簡(jiǎn)單、可行、靈活便捷的方式來對(duì)相位和偏振同時(shí)操控進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高階龐加萊球矢量光束的生成,為高階龐加萊球光束向小尺度方向發(fā)展提供了新的思路,也為納米光子器件的設(shè)計(jì)提供了新的方法。
【學(xué)位授予單位】：山東師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：O436;O441.4
【圖文】：

圖 1.1 平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)亞波長(zhǎng)尺度內(nèi)，沿著介質(zhì)空間（z>0）與相鄰的金屬空間（z<0）之面）向前傳播。在金屬表面的傳輸波可能存在兩種不同形式，一種傳播方向沒有電場(chǎng)，只有 Hx, Ey分量, Hz非零。另一種是橫磁波（T只存在 Ex, Ey分量和 Hz分量。這種情況下，SPPs 只有 TM 模式。一個(gè)方程，Ex, Ey和 Hz滿足如下關(guān)系：0022 20210yxz yyyHE izE HH( k )Hz ， k0分別為入射光的角頻率和波矢，0為真空介電常數(shù)，β 為行波的方向的波矢分量。利用（1-1）式可得：

圖 1.2 沿金屬/介質(zhì)分界面?zhèn)鞑サ?SPP 幾何示意圖d和m分別為介質(zhì)和金屬的介電常數(shù)， kzd和 kzm分別為傳輸波波矢在中垂直于分界面的分量， A1和 A2分別為傳輸波在電介質(zhì)和金屬中的( 1 2) ,i i ,是方向與界面方向垂直的波矢分量，它的倒數(shù) 1z z / k可以用來與界面方向垂直方向的衰減長(zhǎng)度，這一特點(diǎn)說明了等離激元波具有局域的件要求 Hy 和 Ex 分量在分界面處是連續(xù)的，進(jìn)而可得：1 2A A，d dm mkk 況下，介質(zhì)的介電常數(shù)d大于 0，根據(jù)公式（1-4）Re[m]應(yīng)小于 0，在兩常數(shù)的實(shí)數(shù)相反時(shí)才能在其分界面處存在表面等離激元波。此時(shí)，yH 還程：2 2 2m 0mk k

圖 1.3 金屬納米縫實(shí)現(xiàn) SPP 定向激發(fā)。(a)利用 Bragg 光柵實(shí)現(xiàn) SPP 定向激發(fā)[1.25]。入射光波實(shí)現(xiàn) SPP 定向激發(fā)[1.26]。(c)深度不同的納米凹槽實(shí)現(xiàn) SPP 定向激發(fā)[1.28]。屬納米縫陣列實(shí)現(xiàn) SPP 定向激發(fā)[1.17]。（2）等離激元渦旋光束：等離激元渦旋光束（Plasmonic vortex）是指在金屬表面旋場(chǎng)結(jié)構(gòu)，其中心渦旋處的相位具有不確定性而呈現(xiàn)面包圈狀的光場(chǎng)分布。這種特近場(chǎng)渦旋在粒子微操控，光鑷，光束聚焦和定向激發(fā)等方面具有廣泛的研究和重要用[1.29-1.31]。阿基米德螺旋線因其隨方位角不斷變化的半徑成為了產(chǎn)生渦旋的重要結(jié)2008 年，Y.Gorodetski 課題組利用圓偏振光照射多圈阿基米德螺旋線第一次在 SPP生了渦旋[1.32]，如圖 1.4（a）所示，利用了入射圓偏振光的自旋角動(dòng)量耦合到由阿德螺旋線半徑變化引起的軌道角動(dòng)量中而產(chǎn)生了拓?fù)浜蔀?2 的 SPP 渦旋。2010 年 H 等人利用分段的螺旋線，通過改變螺旋線的段數(shù)以及入射光的偏振態(tài)實(shí)現(xiàn)了多種的SPP渦旋的產(chǎn)生[1.33]。2013年戴頓大學(xué)詹其文課題組利用單圈的阿基米德螺旋線，右旋圓偏振光分別照明得到的聚焦和渦旋的現(xiàn)象[1.34]，驗(yàn)證了阿基米德螺旋線圓偏

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本文編號(hào)：2769719