【摘要】：攜帶軌道角動(dòng)量(Orbital Angular Momentum,OA]M)的光學(xué)渦旋由于其能夠?yàn)楣馀c物質(zhì)相互作用提供新的可操控維度,因而引起了人們的廣泛興趣�？墒�,隨著光通訊、光學(xué)微操控等領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展,當(dāng)前對于器件小型化的要求越來越高,而傳統(tǒng)的空間渦旋光場產(chǎn)生往往需要復(fù)雜的光路或者較大尺度的光學(xué)器件,因而不利于器件的集成。表面等離激元由于其具有亞波長的光場調(diào)控和近場增強(qiáng)效應(yīng),因而被認(rèn)為是在突破衍射極限的納米尺度上調(diào)控光場的最佳方案之一。能否利用等離激元的亞波長特性來有效壓縮空間渦旋光尺寸,并且實(shí)現(xiàn)局域光場拓?fù)湫再|(zhì)的調(diào)控,引起了人們的關(guān)注。然而,考慮到材料色散特性,表面等離激元的有效激發(fā)在低頻率(例如遠(yuǎn)紅外、太赫茲、微波)是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。最近人們研究發(fā)現(xiàn),通過對金屬人工微結(jié)構(gòu)材料的精巧設(shè)計(jì),可以實(shí)現(xiàn)對低頻電磁波傳播模式和局域特性的有效操控,這為實(shí)現(xiàn)低頻段的等離激元近場光旋渦提供了思路。本論文圍繞如何利用金屬人工微結(jié)構(gòu)激發(fā)并調(diào)控工作在低頻波段的類等離激元近場光旋渦以展開實(shí)驗(yàn)和理論方面的研究,主要內(nèi)容包括以下兩個(gè)方面:1.利用金屬人工微結(jié)構(gòu)的類等離激元波導(dǎo)產(chǎn)生的非對稱倏逝場,激發(fā)置于其附近的精確設(shè)計(jì)的金屬超構(gòu)顆粒,實(shí)現(xiàn)了深亞波長局域等離激元近場光旋渦。我們設(shè)計(jì)并提出了一種可支持兩個(gè)拓?fù)浜上喾吹木钟蛐郎u模式的超構(gòu)顆粒。由于兩個(gè)旋渦態(tài)通常是同時(shí)激發(fā)的,因而整體表現(xiàn)為無軌道角動(dòng)量的偶極響應(yīng)。為打破簡并特性以獲取確定拓?fù)浜傻男郎u光場,我們將該顆粒放置于金屬梳狀波導(dǎo)附近,利用波導(dǎo)激發(fā)的類等離激元導(dǎo)模的倏逝場的空間非對稱性,高效地激發(fā)超構(gòu)顆粒所支持的單個(gè)旋渦模式。同時(shí),在考慮了波導(dǎo)與超構(gòu)顆粒的耦合參數(shù)以及超構(gòu)顆粒本身輻射損耗的基礎(chǔ)上,利用等效的耦合理論,對人工微結(jié)構(gòu)類等離激元旋渦的產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行物理解釋。實(shí)驗(yàn)結(jié)果、電磁仿真以及理論模型高度吻合。值得注意的是,所激發(fā)的類等離激元近場旋渦的有效半徑約為其相應(yīng)自由空間波長的十六分之一。這項(xiàng)工作打破了表面等離激元旋渦的頻率限制,對于工作在低頻率的功能性集成器件的研究具有重要意義。2.設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)制備了一種新型的可支持多階局域共振的金屬超構(gòu)顆粒,利用非對稱空間光場的激發(fā),實(shí)現(xiàn)了具有高階拓?fù)浜傻木钟驕u旋光場。在綜合考慮等離激元波導(dǎo)和顆粒耦合體系的等效色散、耦合強(qiáng)度以及輻射損耗的基礎(chǔ)上,我們提出并制備了一種可以支持多階局域共振的超構(gòu)顆粒。通過波導(dǎo)提供的非對稱倏逝場,實(shí)現(xiàn)了不同拓?fù)浜傻慕鼒龉鉁u旋。微波實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬和基于波導(dǎo)與顆粒耦合的理論分析高度吻合。我們的工作提出了一種工作在低頻波段的攜帶多種軌道角動(dòng)量類等離激元光旋渦的有效方法,這在信息編碼或信號處理的集成器件中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：O43
【圖文】：

嗯／□逡逑ｍ邋＝邋—２逡逑圖１．２不同拓?fù)浜煽臻g渦旋光的示意圖。從左往右分別代表渦旋光束的波前分布，相位分逡逑布以及強(qiáng)度分布。（圖片摘自維基百科［１２］）逡逑２逡逑

Ａ邐Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ邋ｆｉｅｌｄ逡逑圖１．１光的兩種角動(dòng)量模式。（ａ）自旋運(yùn)動(dòng)攜帶自旋角動(dòng)量，對應(yīng)的是（ｃ）光的偏振態(tài)；（ｂ）軌逡逑道環(huán)繞運(yùn)動(dòng)攜帶軌道角動(dòng)量，對應(yīng)的是（ｄ）光的螺旋相位分布。（圖片摘自參考文獻(xiàn)［１０］）逡逑１．邋２．１空間渦旋光逡逑＿邐ｍ邋＝邋＋２逡逑Ｑ逡逑ｍ邋＝邋＋１逡逑＾邋：．，ｉ邋□逡逑ｍ邋＝邋０逡逑％邋？邋□逡逑嗯／□逡逑ｍ邋＝邋—２逡逑圖１．２不同拓?fù)浜煽臻g渦旋光的示意圖。從左往右分別代表渦旋光束的波前分布，相位分逡逑布以及強(qiáng)度分布。（圖片摘自維基百科［１２］）逡逑２逡逑

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本文編號：2736140