偏振是描述電磁波性質(zhì)的重要物理量,通過分析電磁波的偏振狀態(tài),可以獲取材料結(jié)構(gòu)和成分組成的細節(jié)特征。偏振測量系統(tǒng)通過表征各偏振分量的強度以得到入射光的偏振度、Stokes矢量等信息。傳統(tǒng)的偏振探測系統(tǒng)通常需要將偏振器件和其他光電器件相結(jié)合。如此設(shè)計通常會面臨結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以集成等問題。超表面是一種由亞波長結(jié)構(gòu)組成的二維人工電磁材料。一方面,它具有超輕超薄、易集成的特點,有望替代傳統(tǒng)的光學(xué)器件并實現(xiàn)系統(tǒng)的微型化、輕量化。另一方面,通過改變超表面單元結(jié)構(gòu)的空間旋向和尺寸,可實現(xiàn)對電磁波振幅、相位和偏振等參量的靈活調(diào)控。因此超表面器件被廣泛應(yīng)用于光場調(diào)制及測量技術(shù)。其中,超表面器件可以實現(xiàn)偏折,偏振成像等功能,但是存在工作帶寬有限和色差的問題;同時也可用于偏振測量技術(shù),但是它們通常針對單個波長的偏振信息探測或者對單一偏振分量響應(yīng),多波長入射光的情況同樣會出現(xiàn)明顯色差。這限制了超表面器件的進一步應(yīng)用。本文圍繞上述問題展開研究,主要內(nèi)容包括:1.針對圓偏振相關(guān)超表面透鏡的色差調(diào)控問題,在可見光波段設(shè)計了一種寬帶消色差的超表面聚焦透鏡。利用低損耗、高折射率的二氧化鈦（Ti O₂）... 

【文章來源】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所)四川省

【文章頁數(shù)】：82 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

負折射率材料與實驗原理[35]

??⑸涮澹┑募負尾問?⑿巫春涂占淙∠蚴迪幀Ｕ廡┯裳遣ǔば癡竦ピ??成的超表面比起傳統(tǒng)的衍射光學(xué)元件不僅可以實現(xiàn)對電場調(diào)制，也可以實現(xiàn)對磁場調(diào)控。此外，由于其諧振單元通常為亞波長尺寸大小，所以產(chǎn)生的尺寸效應(yīng)將高階衍射模式限制在倏逝波的范圍內(nèi)，因此傳輸波中的高階衍射可以被消除。但是此時傳統(tǒng)光學(xué)的折反射定律——Snell定律不再適用于超表面[40]。2014年，哈佛大學(xué)FedericoCapasso等人對廣義Snell定理進行了巧妙的設(shè)計與解釋[41]。他們認為光學(xué)界面上恒定的相位躍變梯度與海邊墻壁高度的線性變化類似，如圖1.2（a）。在設(shè)計最佳救援路線時，救生員必須考慮沿墻壁爬上爬下的時間，以確定最佳路線。因此必然會導(dǎo)致一條不同于無墻體時的最優(yōu)路徑（圖1.2中的黃色實體曲線）。容易理解的是，救生員的最佳救援路線對應(yīng)著最短的解救時間：相對于路線的微小變化，解救時間應(yīng)當是是固定不變的。同樣地，存在相位突變的實際光路對于總的相位累積來說應(yīng)該是固定的。因此這個相位穩(wěn)定不變的定律已經(jīng)被用來推導(dǎo)控制光傳播的廣義定律：圖1.2三維空間中的廣義斯涅爾定理[40,41]Figure1.2Generalizedsnell"stheoremin3Dspace.其中，角度的定義如圖1.2（b）所示，dΦ/dx和dΦ/dy分別是平行和垂直于入射面的相位分量，ni和nt是兩種傳輸介質(zhì)的折射率，k0=2/0為真空中的波數(shù)。相位梯度界面可以為透射和反射光子提供沿界面的有效波矢量，根據(jù)沿界面的波矢量守恒也可以導(dǎo)出廣義的波矢量定律。這些廣義定律表明，透射和反射光束可以根據(jù)界面相位梯度的方向和大小，以及周圍光介質(zhì)的折射率，在各自的半空間

基于偏振相關(guān)超表面透鏡的色差調(diào)控研究4中向任意方向彎曲。隨著研究深入，通過設(shè)計超表面不同的微小諧振單元，可以構(gòu)建出多種多樣基于超表面的相位調(diào)制分布函數(shù)，以實現(xiàn)對光波波前的靈活調(diào)控。00001sin()sin()1cos()sin()1sin()sin()1cos()sin()ttiitttiriiirrdnnkdxdnkdydnnkdxdnkdy…(1.1)1.3超表面的應(yīng)用進展1.3.1超表面全息編碼成像技術(shù)全息技術(shù)作為一種極具革命性的三維光學(xué)成像技術(shù)，首先記錄物光和參考光相互作用產(chǎn)生的干涉條紋，此處的物光是由物體衍射或者散射的電磁波，參考光為原始入射電磁波。這樣的干涉條紋包含了物體散射光的全部信息，如相位和振幅等，然后在記錄的干涉條紋上施加參考光，就可以完美地重構(gòu)物體的三維圖像。由于全息成像技術(shù)能夠再現(xiàn)出影像的立體感，并且相比于原物體來說更有著與3D電影完全相同的三維特性從而能夠真實的再現(xiàn)物體，因此一提出便成為當前熱點的研究課題。隨著計算全息與數(shù)字全息技術(shù)的發(fā)展，全息成像逐漸走向研究前沿。正是因為超表面具有超雹結(jié)構(gòu)緊湊及其對光束靈活調(diào)控的優(yōu)異能力，使之成為一種理想的計算全息編碼材料。圖1.3全息超表面（a）透射型超表面全息圖的結(jié)構(gòu)和重建過程[44]；（b）基于幾何相位的反射型超表面三維全息圖[15]

【參考文獻】：
期刊論文
[1]Dual-band and ultra-broadband photonic spin-orbit interaction for electromagnetic shaping based on single-layer silicon metasurfaces[J]. XIN XIE,MINGBO PU,XIONG LI,KAIPENG LIU,JINJIN JIN,XIAOLIANG MA,XIANGANG LUO.  Photonics Research. 2019(05)
[2]超表面相位調(diào)控原理及應(yīng)用[J]. 李雄,馬曉亮,羅先剛.  光電工程. 2017(03)



本文編號：3592516