中紅外波段技術(shù)的開發(fā)具有重要的戰(zhàn)略意義,其應(yīng)用涵蓋了醫(yī)療、軍事、工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域,包括熱成像、傳感、空間通訊等等�；谥屑t外波段開發(fā)的光學(xué)超表面技術(shù),由于具有調(diào)控自由度高、工業(yè)兼容性好、制備工藝簡單等優(yōu)點(diǎn),已成為近年來的研究熱點(diǎn)。這種光學(xué)調(diào)控技術(shù)利用電磁波與材料之間相互作用的特征,極大地?cái)U(kuò)展了新穎光學(xué)器件的設(shè)計(jì)方式,有望成為傳統(tǒng)光學(xué)器件制備技術(shù)的替代者。本論文基于全介質(zhì)結(jié)構(gòu)的光學(xué)超表面,利用廣義斯涅爾定律及米氏散射理論,設(shè)計(jì)并制備了具有不同光學(xué)功能的惠更斯超表面平臺。此外,本文以超表面器件的性能探究為目標(biāo),以納米制備及光學(xué)表征技術(shù)為手段,針對超表面器件在中紅外波段內(nèi)的應(yīng)用潛力、誤差來源、優(yōu)化方案開展了一系列的研究工作。論文的主要研究工作如下:(1)本文基于碲化鉛及氟化鈣的材料參數(shù),利用全波仿真的計(jì)算手段,設(shè)計(jì)了包括矩形結(jié)構(gòu)及H形結(jié)構(gòu)等不同幾何參數(shù)的超表面結(jié)構(gòu)單元,并獲取了對應(yīng)結(jié)構(gòu)的透射參數(shù)。利用上述計(jì)算結(jié)果,本文在廣義斯涅爾定律的基礎(chǔ)上,通過雙類型組合結(jié)構(gòu)單元的設(shè)計(jì)方法,提出了高效率、透射式超表面器件的設(shè)計(jì)思路,為后續(xù)制備衍射光束偏轉(zhuǎn)器及平面透鏡提供了理論指導(dǎo)。(2)本文采用了雙層光刻膠剝離及電子束曝光的工藝手段制備了衍射光束偏轉(zhuǎn)器及平面透鏡等兩種超表面器件。結(jié)構(gòu)表征結(jié)果顯示器件厚度低至_0?/8,滿足低維度的設(shè)計(jì)需求。此外,本文利用光學(xué)平臺進(jìn)行了上述超表面器件的性能表征,結(jié)果表明,在線偏振光的工作模式下,超表面的工作效率可高達(dá)75%,相較于目前的技術(shù)有了明顯的提高。平面透鏡的成像測試結(jié)果更支持了超表面器件的聚焦能力可以達(dá)到衍射極限的猜想。(3)本文利用相位掩模版的方法提出了惠更斯超表面的理論模型,并基于該模型開展了實(shí)驗(yàn)誤差來源的分析工作。計(jì)算結(jié)果顯示,實(shí)際工作效率的下降來源于器件制備過程中引入的結(jié)構(gòu)傾斜角,以此導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)單元的相位移誤差。此外,為了進(jìn)一步提升超表面器件的工作效率,本文對結(jié)構(gòu)單元的設(shè)計(jì)提出了優(yōu)化方案,將超表面器件的理論效率提升了5%。本論文的研究工作對中紅外超表面技術(shù)的發(fā)展有一定的指導(dǎo)意義,所提出的制備及表征方案有望對超表面技術(shù)的應(yīng)用產(chǎn)生促進(jìn)作用。
【學(xué)位單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN21
【文章目錄】：
摘要
abstract
第一章 緒論
    1.1 研究背景
    1.2 超表面的起源及分類
        1.2.1 超表面的概念
        1.2.2 超材料的起源
        1.2.3 超表面的分類
    1.3 超表面的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀
    1.4 本論文的主要內(nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)
    1.5 本論文的結(jié)構(gòu)安排
第二章 超表面器件的理論基礎(chǔ)與設(shè)計(jì)思路
    2.1 麥克斯韋方程組與波動(dòng)方程
    2.2 廣義斯涅爾定律
    2.3 惠更斯超表面的設(shè)計(jì)原理
        2.3.1 米氏散射理論
        2.3.2 結(jié)構(gòu)單元的集體電磁響應(yīng)
    2.4 惠更斯超表面的邊界條件
    2.5 平面透鏡的相位輪廓
    2.6 小結(jié)
第三章 超表面器件的設(shè)計(jì)與仿真結(jié)果
    3.1 超表面器件的材料參數(shù)
        3.1.1 橢偏儀測試表征
        3.1.2 結(jié)構(gòu)單元材料的選取
    3.2 矩形結(jié)構(gòu)單元的仿真結(jié)果
        3.2.1 矩形結(jié)構(gòu)單元的電磁共振分析
        3.2.2 矩形結(jié)構(gòu)單元的選取
    3.3 H形結(jié)構(gòu)單元的仿真結(jié)果
        3.3.1 H形結(jié)構(gòu)單元的電磁共振分析
        3.3.2 組合結(jié)構(gòu)單元的選取
    3.4 衍射光束偏轉(zhuǎn)器的仿真結(jié)果
        3.4.1 結(jié)構(gòu)單元的排列方式
        3.4.2 結(jié)構(gòu)單元的邊界條件有效性驗(yàn)證
        3.4.3 電磁場分布的仿真結(jié)果分析
    3.5 超表面透鏡的仿真結(jié)果
        3.5.1 一維透鏡的仿真結(jié)果
        3.5.2 二維透鏡的仿真結(jié)果
    3.6 小結(jié)
第四章 超表面器件的制備與表征
    4.1 制備工藝的介紹
        4.1.1 電子束曝光系統(tǒng)
        4.1.2 器件制備的工藝流程
    4.2 衍射光束偏轉(zhuǎn)器的表征與分析
        4.2.1 工作效率及偏轉(zhuǎn)角的表征方案
        4.2.2 器件的表征結(jié)果分析
    4.3 一維超表面透鏡的表征與分析
        4.3.1 一維透鏡的功能及工作效率
        4.3.2 一維透鏡的數(shù)值孔徑
        4.3.3 一維透鏡的聚焦性能
    4.4 二維超表面透鏡的表征與分析
        4.4.1 二維透鏡的功能及工作效率
        4.4.2 二維透鏡的聚焦性能
        4.4.3 二維透鏡的成像性能
    4.5 超表面器件工作效率的定量分析
    4.6 超表面器件的優(yōu)化方案
    4.7 小結(jié)
第五章 結(jié)束語
    5.1 全文主要內(nèi)容及結(jié)論
    5.2 后續(xù)研究工作的展望
致謝
參考文獻(xiàn)
攻讀碩士學(xué)位期間取得的學(xué)術(shù)成果

【參考文獻(xiàn)】

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1 楊愛粉;張佳;李剛;張晚霞;;用于定向紅外對抗的中波紅外激光器技術(shù)[J];應(yīng)用光學(xué);2015年01期

本文編號：2831246