相位梯度超表面可以看作是由亞波長天線單元組成的二維超材料,其厚度要比工作的波長小得多,主要利用局域表面等離子體共振特性來設(shè)計天線單元的電磁響應(yīng)特性,從而在界面處產(chǎn)生相位不連續(xù),它能夠?qū)Τ錾洳ㄇ�、光色散特性、偏振甚至頻率的完美操控。然而,為了實現(xiàn)對波前的完全控制,需要0到2π范圍相移的覆蓋。在過去的幾年里,很多研究者努力尋找適當(dāng)?shù)牡入x子體或介質(zhì)納米結(jié)構(gòu),提供全相位響應(yīng)的覆蓋并同時保持較高的散射效率。近年來,越來越多的人致力于性能可調(diào)諧的光學(xué)超表面的研究,因為它們可用于制備一些功能動態(tài)可調(diào)的光器件。本論文主要研究基于石墨烯的可調(diào)諧相位梯度超表面以及電磁耦合作用超表面。首先介紹了石墨烯的光學(xué)特性及其光學(xué)仿真模型,緊接著討論了偶極子陣列模型;進一步,提出了所研究的金屬-介質(zhì)-石墨烯天線結(jié)構(gòu)單元,并利用FDTD Solutions軟件對其電磁響應(yīng)特性進行研究。理論計算結(jié)果表明:改變費米能級可以實現(xiàn)天線的0-2π相位響應(yīng)的調(diào)控;通過改變石墨烯條帶天線施加電壓的分布實現(xiàn)了光束掃描和將入射平面光束耦合為表面波的多重功能;我們還設(shè)計了透鏡焦距可從20到100μm切換的可變焦柱透鏡。這為動態(tài)可調(diào)諧超表面器件的設(shè)計提供了一種可行的方法。其次,我們提出了基于雙層互補結(jié)構(gòu)的電磁耦合作用相位梯度超表面。并借助光學(xué)納米電路模型來分析該結(jié)構(gòu)的垂直、橫向耦合效應(yīng)和共振特性。計算結(jié)果表明:在不改變尺寸或方向角的情況下,兩個納米結(jié)構(gòu)之間的位錯引起的電磁耦合效應(yīng)足夠?qū)崿F(xiàn)波前的操控。利用這種結(jié)構(gòu)我們設(shè)計了一個工作在低頻耦合模式下的反射式梯度超表面以及工作在電共振和磁共振的頻譜重疊位置的高透射率惠更斯超表面。所提出電磁耦合作用超表面是一種新型的等離子體超表面,它具有增強光與物質(zhì)相互作用的特點。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN820
【部分圖文】：

如圖 1.1（a）所示，入射平面波以一定角度 θi入射電磁波可以引入沿著 x 方向的相位梯度 dφ/dx，由于相位梯在角度 θr和 θt處的異常反射和折射。相位梯度的存在使得和反射定律[13]：( ) ( )( ) ( )( )sin sin2( )sin sin2t t i ir r i id xn ndxd xn ndxλ θ θπλ θ θπ = =（1-1）入射空間、反射空間和透射空間的折射率，并且 nr= ni。度超表面”的概念并不新鮮，例如我們耳熟能詳?shù)挠性聪啵�，亦即相位控制電子掃描陣列天線[16]，相控陣?yán)走_(dá)是通過的饋電相位來改變輻射方向圖的形狀；控制相位可以改變，以達(dá)到波束掃描的目的[17]。相控陣?yán)走_(dá)本質(zhì)上利用的就(b)(c)

圖 1.2 波前整形應(yīng)用（a）無色散透鏡[24]；（b）全息圖[27]；（c）渦旋光發(fā)生器[12]超表面另一個有趣的應(yīng)用是：計算機生成的全息圖（Computer GeneratedHolography, CGH）的實現(xiàn)，需要借助計算機精細(xì)地設(shè)計相位、幅度和偏振響應(yīng)以獲得高質(zhì)量空間全息圖像�；パa的 V 形結(jié)構(gòu)可以被用來引入可控的相位和幅度分布，實現(xiàn)可見光全息圖的構(gòu)建，其效率為 10％[26]。PB 相位超表面由于其優(yōu)越的相位控制特性，被廣泛用于全息圖設(shè)計[27]，例如：三維光學(xué)全息攝影術(shù)，所需的相位輪廓可以通過旋轉(zhuǎn)的亞波長納米棒天線來實現(xiàn)。如圖 1.2（b），為增強全息成像轉(zhuǎn)換效率，Zhang Shuang 課題組進一步采用了多層結(jié)構(gòu)，將一個金屬背板引入到 PB 相位超表面上[27]，并且將每一個共振納米棒天線的長軸和短軸設(shè)計成具有 π 相位差，用于優(yōu)化兩個圓偏振狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換效率。所構(gòu)建的全息超表面在 630-1050nm 的波段中衍射效率大于 50％，其中最大值在 825nm 處為 80％。之后的研究者多用這種結(jié)構(gòu)來構(gòu)建全息圖。復(fù)用技術(shù)是全息超表面目前研究的方向，如目前已經(jīng)報道的螺旋性復(fù)用全

圖 1.3 偏振控制與檢測（a）基于超表面的半波片[29]；（b）空間光偏振分析儀[30]偏振分析儀（Polarimeters）可以直接測量電磁波的偏振狀態(tài)，在科技領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，這是因為偏振狀態(tài)攜帶了材料的組成和結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵信息。傳統(tǒng)的偏振分析儀需要測量六個光強度（即：x、y 偏振分量，±45o偏振分量，左、右旋偏振分量強度）來確定其斯托克斯參數(shù)。通常，偏振分析儀是由一組適當(dāng)排列的偏振探測元件（例如偏振片和波片）組成，分別測量透過這些偏振元件的光強度來確定斯托克斯參數(shù)。因此，基于傳統(tǒng)分立光學(xué)元件的偏振分析儀通常體積龐大、價格昂貴，并且其光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜，這違背了光學(xué)系統(tǒng)一體化和小型化的發(fā)展趨勢。近年來，由于超表面的設(shè)計靈活性和緊湊性，超表面偏振分析儀越來越受到研究人員的廣泛關(guān)注。圖 1.3（b）是一個分光偏振分析儀[30]，它將不同的入射偏振和頻譜分量分到不同的方向，從而進行偏振態(tài)的測量。分光偏振分析儀集成了六個不同的反射式間隙等離激元（GSP）超表面（排列成 2×3 陣列），分別對應(yīng)水平偏振（0o），垂直偏振
【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 楊曉霞;孔祥天;戴慶;;石墨烯等離激元的光學(xué)性質(zhì)及其應(yīng)用前景[J];物理學(xué)報;2015年10期

2 孫樹林;何瓊;肖詩逸;許欽;李欣;屈澈;周磊;;梯度特異介質(zhì)表面研究進展[J];激光與光電子學(xué)進展;2013年08期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 閔力;超材料電磁共振及調(diào)控機理研究[D];華中科技大學(xué);2016年

本文編號：2883083