光場(chǎng)調(diào)控一直是重要的基礎(chǔ)光學(xué)研究領(lǐng)域之一,在光信息、激光領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。其研究?jī)?nèi)容涵蓋對(duì)光場(chǎng)相位、振幅和偏振調(diào)控的新機(jī)理和新方法。納米科學(xué)和納米加工技術(shù)的進(jìn)步提供了豐富多樣的微納結(jié)構(gòu),極大地促進(jìn)了納米尺度光場(chǎng)調(diào)控的研究。由于金屬表面等離激元共振具有強(qiáng)的局域電磁場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng),利用金屬微納結(jié)構(gòu)對(duì)光波的電共振響應(yīng)所開展的光場(chǎng)調(diào)控研究已經(jīng)取得了豐富的研究成果。但是,受限于金屬固有的歐姆損耗,基于金屬結(jié)構(gòu)的光場(chǎng)調(diào)控器件一般損耗大、調(diào)控效率低。近年來(lái),高折射率介質(zhì)微納結(jié)構(gòu)在光場(chǎng)調(diào)控領(lǐng)域受到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注。除了具有低損耗特性外,高折射率介質(zhì)微納結(jié)構(gòu)對(duì)光波的磁響應(yīng)特性為光場(chǎng)調(diào)控提供了一個(gè)額外的維度,從而提升了對(duì)光場(chǎng)調(diào)控的能力。本論文主要圍繞高折射率介質(zhì)微納結(jié)構(gòu)的光場(chǎng)調(diào)控開展研究工作:從單個(gè)介質(zhì)顆粒的光場(chǎng)調(diào)控特性入手,然后拓展到顆粒陣列構(gòu)成的超表面。本論文的主要研究工作如下:1.研究了單個(gè)介質(zhì)納米立方體的散射特性,明確其內(nèi)部的電偶極共振和磁偶極共振。通過(guò)選擇合適的工作波長(zhǎng)使得電偶極模式和磁偶極模式等振幅等相位來(lái)實(shí)現(xiàn)單向散射。通過(guò)改變顆粒的幾何尺寸來(lái)使得電偶極峰和磁偶極峰重疊達(dá)到在共振位置處的單向散射。進(jìn)一步地,通過(guò)將上述顆粒串成鏈可以實(shí)現(xiàn)寬譜的單向散射。2.基于偶極-偶極相互作用模型,研究了硅納米二聚體在高斯光入射下的散射特性。該遠(yuǎn)場(chǎng)散射場(chǎng)是由顆粒內(nèi)部感應(yīng)的電磁偶極子的輻射場(chǎng)的干涉引起的,與二聚體相對(duì)高斯光束的位置有關(guān)。通過(guò)改變二聚體與入射場(chǎng)的相對(duì)位置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)散射的調(diào)控進(jìn)而實(shí)現(xiàn)單向散射。反過(guò)來(lái),通過(guò)測(cè)量遠(yuǎn)場(chǎng)散射場(chǎng)的橫向?qū)Ρ榷?可以確定顆粒相對(duì)于入射場(chǎng)的位置。基于此,我們提出了一種新型的光學(xué)校準(zhǔn)和納米尺度的位移測(cè)量手段。3.基于瓊斯矩陣研究了由不同尺寸以及不同旋向的硅顆粒組成的超表面的透射特性。給出兩種方法分別基于極化率張量半解析方法和時(shí)域有限差分?jǐn)?shù)值方法用于獲取超表面的瓊斯矩陣。通過(guò)選取合適的顆粒以及相應(yīng)的面內(nèi)排布,實(shí)現(xiàn)了任意的波前分布�；诖嗽O(shè)計(jì)了兩類超表面分別用于生成徑向/角向偏振光(偏振調(diào)控)和Airy光束(相位調(diào)控)。4.基于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱特性,系統(tǒng)地將超表面進(jìn)行了歸類并關(guān)聯(lián)其對(duì)應(yīng)的瓊斯矩陣以及其獨(dú)有的本征矢�；诖�,我們?cè)O(shè)計(jì)了一種雙層超表面,其本征矢為圓偏振光,用于實(shí)現(xiàn)旋光效應(yīng)。不同于傳統(tǒng)旋光材料通過(guò)增加傳播方向的長(zhǎng)度來(lái)增大出射偏振角的旋轉(zhuǎn),該雙層超表面結(jié)構(gòu)可以通過(guò)改變結(jié)構(gòu)的橫向尺寸實(shí)現(xiàn)出射偏振角的旋轉(zhuǎn),其角度偏轉(zhuǎn)可以從-90°變化到90°。這項(xiàng)工作提供了一種新型偏振轉(zhuǎn)化器的設(shè)計(jì)思路。本論文的創(chuàng)新點(diǎn)和特色:1.發(fā)展了一種基于極化率張量的半解析的方法用于分析納米結(jié)構(gòu)的散射特性以及該結(jié)構(gòu)組成的超表面的透射反射特性。該方法適用于顆粒的結(jié)構(gòu)尺寸遠(yuǎn)小于入射光波長(zhǎng)。2.提出了一種基于介質(zhì)納米二聚體和高斯光束相互作用的納米位移測(cè)量方法。通過(guò)測(cè)量橫向散射場(chǎng)的對(duì)比度,就可以確定該納米二聚體相對(duì)于入射場(chǎng)中心的位置。該方法的測(cè)量精度可以達(dá)到十納米左右,并且可以通過(guò)使用HG10模高斯光入射來(lái)增加。3.基于超表面的對(duì)稱特性,對(duì)超表面進(jìn)行了系統(tǒng)的分類并關(guān)聯(lián)其獨(dú)有的瓊斯矩陣,提出并設(shè)計(jì)了介質(zhì)雙層超表面實(shí)現(xiàn)了巨大的旋光效應(yīng)。不同于傳統(tǒng)旋光材料通過(guò)增加傳播方向的長(zhǎng)度來(lái)增大出射偏振角的旋轉(zhuǎn),該超表面可以通過(guò)改變結(jié)構(gòu)的橫向尺寸實(shí)現(xiàn)出射偏振角的旋轉(zhuǎn),其角度偏轉(zhuǎn)可以從-90°變化到90°。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：O43
【部分圖文】：

直接支持磁偶極模式，并且該模式的共振位置可以直接通過(guò)調(diào)節(jié)硅球的半徑來(lái)逡逑移動(dòng)。該磁偶極模式是Ｍｉｅ式散射的一階共振峰，是一種腔模并且大部分能量逡逑局域在球形內(nèi)部。圖１．１（４展示了該磁模式的來(lái)源并且同劈裂圓環(huán)做了相應(yīng)的對(duì)逡逑比，如圖１．１（ｃ）所示。對(duì)于這兩類共振結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，光致磁響應(yīng)皆來(lái)源于結(jié)構(gòu)內(nèi)部逡逑很強(qiáng)的環(huán)形位移電流，同時(shí)也導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)內(nèi)部很強(qiáng)的磁場(chǎng)增強(qiáng)。逡逑就在理論預(yù)測(cè)不久之后，實(shí)驗(yàn)上也在驗(yàn)證可見(jiàn)光波段的硅球支持的光致磁逡逑響應(yīng)方面做出了重大突破圖１．１（ｅ）和１．１（／）顯示了硅球顆粒的ＳＥＭ圖以逡逑及在暗場(chǎng)下的像�？梢钥吹皆诎祱�(chǎng)下，單個(gè)硅球的散射譜有兩個(gè)明顯的峰，分別逡逑對(duì)應(yīng)電偶極峰和磁偶極峰，如圖１．１Ｇ）所示。緊接著上述的工作，其他的一些實(shí)逡逑驗(yàn)工作在可見(jiàn)光波段或近紅外波段也相繼證明了硅材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部支持光致磁響逡逑應(yīng)逡逑１．１．２．利用磁響應(yīng)調(diào)控遠(yuǎn)場(chǎng)散射逡逑對(duì)于單個(gè)顆粒而言，研究其對(duì)光場(chǎng)的調(diào)控，更多的關(guān)注顆粒對(duì)光場(chǎng)的散射。逡逑眾所周知，由于電響應(yīng)和磁響應(yīng)之間的相互作用，在散射體系中引入磁場(chǎng)共振會(huì)逡逑給遠(yuǎn)場(chǎng)的散射提供一個(gè)額外的維度。例如

上述的討論都是基于偶極共振模式的干涉，要求顆粒內(nèi)部的偶極模式的強(qiáng)逡逑度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于高階極子模式的強(qiáng)度。但是在某些波段偶極近似就不再適用，高階模逡逑式的作用需要被考慮進(jìn)去柯４２，４３］。圖１．５＾和圖１．４問(wèn)中相同結(jié)構(gòu)在另一個(gè)波段逡逑的散射譜。在這個(gè)波段電偶極子的貢獻(xiàn)可以忽略不計(jì)，磁偶極子和電四極子占主逡逑要作用。電四極子共振的中心波長(zhǎng)在８８７ｎｍ處，在共振處的相位分布變了一個(gè)逡逑符號(hào)，導(dǎo)致在共振前后的遠(yuǎn)場(chǎng)散射圖樣發(fā)生極大的變化，如圖１．５（６）和１．５（ｃ）所逡逑示＿。逡逑在偶極點(diǎn)源激發(fā)的情況下，顆粒內(nèi)部感應(yīng)出的模式常常伴隨著高階極子模逡逑式的出現(xiàn)。因此處理點(diǎn)源激發(fā)情況下光致磁響應(yīng)調(diào)控光場(chǎng)散射的問(wèn)題時(shí)往往需逡逑要考慮高階模式的貢獻(xiàn)。圖Ｉ．５（ｒｆ）展示了利用高折射率介質(zhì)球調(diào)控偶極子輻逡逑射的示例。圖１．５（ｅ）展示了在僅考慮偶極輻射項(xiàng)和僅考慮四極輻射項(xiàng)下，在頻率逡逑／邋＝邋９．７４Ｇｉｆ＿ｚ處ｒｃ邋—ｚ面內(nèi)的遠(yuǎn)場(chǎng)散射圖樣。圖丨．５（／）更加詳細(xì)的計(jì)算了邋２０個(gè)逡逑極子疊加的情況以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果�？梢钥吹絻H考慮偶極輻射的情況，遠(yuǎn)場(chǎng)散射的結(jié)逡逑果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果不吻合，而在考慮了更高階的極子的貢獻(xiàn)后，理論模型和實(shí)驗(yàn)結(jié)果逡逑就保持了一致。逡逑６逡逑

寬譜的連續(xù)背景態(tài)和分立態(tài)之間的干涉導(dǎo)致的＾￣＾。類似于金屬團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，介逡逑質(zhì)顆粒組成的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)同樣會(huì)出現(xiàn)法諾共振效應(yīng)。同時(shí)涉及到電磁偶極模式的逡逑法諾共振會(huì)展示出只涉及單個(gè)電模式時(shí)所沒(méi)有的特性［４７］。圖１．６展示了金屬球心逡逑介質(zhì)球殼一維陣列的散射示意圖。同圖１．４（ｄ）中類似，該納米顆粒被設(shè)計(jì)成在逡逑１０９６ｎｍ處同時(shí)支持電磁偶極模式的共振。眾所周知，這種陣列支持法諾共振來(lái)逡逑源于單個(gè)顆粒的寬譜共振和整個(gè)陣列的窄帶共振的干涉。如果單個(gè)顆粒只支持逡逑電偶極模式或者磁偶極模式，比如金屬顆粒或者高折射率介質(zhì)顆粒在某個(gè)波長(zhǎng)逡逑處，產(chǎn)生的法諾共振是強(qiáng)烈的依賴于偏振的［４７］。單個(gè)顆粒同時(shí)支持兩個(gè)模式并逡逑且在共振處重疊的話，那么該法諾共振就與偏振無(wú)關(guān)。逡逑法諾共振也可被單獨(dú)的磁響應(yīng)激發(fā)【４Ｓ］。圖１．６（ｃ）展示了法諾共振來(lái)源于硅六逡逑聚體的寬譜背景態(tài)和單個(gè)硅球的窄的分立ｉ之間的干涉。金屬顆粒組成的結(jié)構(gòu)逡逑７逡逑

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