發(fā)布時間：2020-05-19 18:19

【摘要】：利用偏振光和物質(zhì)的相互作用,可以對偏振光的相位、振幅等電磁參量進行調(diào)控,這種偏振相關的電磁調(diào)控在通信、顯示、探測等領域中均有廣泛應用。傳統(tǒng)上,要實現(xiàn)此類調(diào)控,往往要將偏振器件和其他光電器件結合使用。如此設計的系統(tǒng)一般復雜龐大,難以集成。隨著微納加工及其表征技術的進步,涌現(xiàn)出多種性能優(yōu)異的人工電磁器件。其中,超表面作為一種超薄的平面人工電磁器件,具有亞波長尺度上的靈活電磁調(diào)控能力。與傳統(tǒng)技術相比,基于超表面的偏振相關電磁調(diào)控,既能大大拓展這類調(diào)控可以實現(xiàn)的功能,又有利于促進相關光學系統(tǒng)的微型化、集成化。本文利用相位調(diào)控型超表面,針對中紅外偏振相關電磁調(diào)控中存在的偏振響應單一等問題開展相關研究。論文的主要研究內(nèi)容包括:1.針對在中紅外波段,傳統(tǒng)偏振相關電磁調(diào)控能力有限這一問題,設計了一種偏振復用的調(diào)制光學渦旋生成器件。提出了一種基于超表面的新的光學渦旋調(diào)制方法,即通過在螺旋相位中引入正切調(diào)制因子,實現(xiàn)對光學渦旋強度分布的調(diào)制。該調(diào)制光學渦旋具有與傳統(tǒng)光學渦旋迥異的輻射狀強度分布。為表征此功能,設計了一種單層透射式全介質(zhì)超表面。該超表面加工工藝簡單,并能簡化實驗光路。實驗測試表明,在10.6μm正交線偏振光入射下,設計的超表面可分別生成環(huán)狀和輻射狀的光學渦旋。通過調(diào)節(jié)入射光的偏振角,可以動態(tài)調(diào)整光學渦旋的強度圖案。該工作在光學微操控等領域有潛在應用價值。2.使用SiO_2、Si等傳統(tǒng)光學材料制造的偏振相關電磁調(diào)控超表面,在改變組成材料的光學性質(zhì)后,原有設計功能往往會失效。針對這一問題,通過引入相變材料GST,我們設計了一種中紅外寬帶(9.7μm~11.5μm)可切換分束超表面。測量了GST介電常數(shù)并研究了影響其相變行為的因素,在此基礎上構建了基于GST的反射式光柵型單元結構。結合幾何相位調(diào)控方法,設計了單元結構呈棋盤式排布的超表面。仿真結果表明,垂直入射圓偏振光或線偏振光時,該超表面在GST為非晶態(tài)時會實現(xiàn)均勻分束,在GST為晶態(tài)時實現(xiàn)鏡面反射,具有可切換分束功能。該工作對設計新型虛擬賦形器件具有一定借鑒意義。3.一般的偏振相關超表面通常只針對單一的偏振分量響應,為解決這一問題,設計了一種對多偏振分量實時成像的超表面。結合傳輸相位和幾何相位調(diào)控兩種方法,優(yōu)化篩選出兩類全硅單元結構,每類單元可對一組正交線(圓)偏振光實現(xiàn)獨立相位響應。設計超表面時,采用離軸聚焦相位分布,并將兩類單元逐行交叉排布。實驗采用10.6μm激光主動照明方式,實現(xiàn)了多偏振分量分焦平面成像。該超表面可以同時實現(xiàn)對多偏振分量的過濾、分束、聚焦(成像),有利于提高實時偏振成像系統(tǒng)的集成性。
【圖文】：

圖 1.1 冰洲石的雙折射現(xiàn)象Figure 1.1 Birefringence of calcit，法國科學家 Malus 做出了關于偏振現(xiàn)象的重要發(fā)現(xiàn)[3]璃窗上，他觀察到，若入射角達到某特定值，反射光與 具有類似的性質(zhì)。他稱這性質(zhì)為“偏振”[4]。之后,他又 Malus 定律。1817 年前后，F(xiàn)resnel 與 Arago 一起研究了的影響，但他們認為光波是縱波，呈縱向振蕩。而縱波果進行合理解釋。Thomas Young 建議，如果假設光波是波可在振蕩面內(nèi)分解為兩個相互垂直的分量，或許可對。受此啟發(fā)，之后二人將實驗結果定性總結為 Fresnel-不同偏振態(tài)的光之間的干涉特性[5]。之后，F(xiàn)resnel 試圖進行定量表述。他使用 Fresnel-Huygens 積分來解決衍射問

其他光學現(xiàn)象建立了穩(wěn)固的理論基礎。偏振相關電磁調(diào)控的基本概念文所討論的偏振相關電磁調(diào)控（以下簡稱偏振電磁調(diào)控）這一概光的頻率、相位、振幅等電磁參量的調(diào)控。對偏振光電磁參量的用光的偏振特性，對一些物理量進行測量，或?qū)ζ窆膺M行操控以。用偏振電磁調(diào)控可以實現(xiàn)物理量的測量。例如，利用橢圓偏振法可光學常數(shù),主要為薄膜的折射率 n 及厚度 d。圖 1.2 是典型的橢圓偏示意圖。光源通過起偏器和波片入射到待測樣品上，反射光一般為這是由于其 s 分量（電場強度垂直于入射面）、p 分量（電場強度的振幅反射系數(shù)sr 、pr 一般為復數(shù)。反射的橢圓偏振光的 、 反學特性。令橢圓函數(shù) 表征橢圓偏振光，有
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院光電技術研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：O436.3

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