【摘要】：超表面是一種由亞波長結(jié)構(gòu)構(gòu)成的二維新型材料。一方面,其具有超輕超薄的性質(zhì),有望替代傳統(tǒng)材料實現(xiàn)光學(xué)器件的小型化、輕型化。另一方面,超表面能在亞波長尺度進(jìn)行電磁波的相位、振幅和偏振調(diào)控,可以人為設(shè)計和控制對特定波長、偏振的電磁響應(yīng),利用超表面可以實現(xiàn)傳統(tǒng)光學(xué)器件難以實現(xiàn)的功能,在器件的集成化上也有著無與倫比的潛力。自超表面提出以來,已成功實現(xiàn)了包括對光束整形和控制、特殊光束產(chǎn)生、全息復(fù)現(xiàn)等多種功能,在成像、探測、光譜、加工等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用前景。然而,超表面大面積加工問題、電磁損耗、色差等仍是超表面進(jìn)一步應(yīng)用的主要限制因素。本論文中主要針對超表面的色差特性進(jìn)行了研究。近年來,國內(nèi)外研究小組提出了一些對超表面的色散、色差的控制和補(bǔ)償?shù)姆椒�。由于波長的離散化,共振對入射角等參數(shù)的苛刻要求等問題,這些方法仍然難以解決超表面在成像、通信等領(lǐng)域中應(yīng)用的實際問題。針對超表面的色散特性以及色差問題,本論文展開了基于超表面色散特性和色差調(diào)控的研究,論文研究內(nèi)容主要包括:1、設(shè)計了一種工作在太赫茲波段的偏振無關(guān)的超表面,通過微透鏡陣列激光加工方法快速高效地加工實現(xiàn)了基于PEN柔性基底的超表面帶阻濾波器,實驗表征得到單層和級聯(lián)帶阻濾波的帶寬分別為0.291THz和0.461THz。通過數(shù)值模擬和理論分析,厘清了單元結(jié)構(gòu)之間相互的耦合效應(yīng)與單元結(jié)構(gòu)的振幅色散特性之間的關(guān)系,為不同帶寬的相關(guān)器件設(shè)計奠定基礎(chǔ)。2、提出了一種利用材料色散和結(jié)構(gòu)色散相互補(bǔ)償實現(xiàn)消色差平面光學(xué)器件的設(shè)計方法,建立了以金屬-絕緣體-金屬亞波長結(jié)構(gòu)的消色差數(shù)理模型,詳細(xì)分析了超表面和傳統(tǒng)光學(xué)中消色差設(shè)計的異同,通過理論計算和數(shù)值仿真實現(xiàn)了波長從1μm至2μm的連續(xù)超寬帶消色差偏折和聚焦超表面器件。3、利用偶極子光天線的無色散相位調(diào)控性質(zhì)結(jié)合多波長離軸照明技術(shù),實現(xiàn)了超表面彩色全息。通過空間頻譜控制實驗實現(xiàn)了二維和三維彩色圖像的高質(zhì)量復(fù)現(xiàn)。該方法實現(xiàn)了超表面空間頻譜的充分利用,展現(xiàn)了超表面在空間頻譜操控上傳統(tǒng)光學(xué)器件難以企及的優(yōu)勢。4、提出了利用超表面的色散性質(zhì)和偏振響應(yīng)性質(zhì),建立可實現(xiàn)軌道角動量、波長和偏振同時分離與合束的超表面器件的理論模型,通過單個超表面實現(xiàn)了空分復(fù)用、波分復(fù)用和偏振復(fù)用的集成。通過模擬仿真和初步試驗,驗證了該器件的復(fù)用與解復(fù)用功能。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TN713;TN929.1
【圖文】：

多波長及寬帶超表面色散特性研究獲得衛(wèi)星用輕量化的微波天線透鏡，研究了相應(yīng)的人工介電質(zhì)[7]。1967 年，前蘇聯(lián)物理學(xué)家 V.G. Veselago 發(fā)表了探究介質(zhì)與光波中的磁場分量相互作用問題的論文，指出根據(jù)介電常數(shù)（ε）和磁導(dǎo)率（μ）的符號 (正或負(fù)) 標(biāo)定不同的介質(zhì)，首次從理論上研究了雙負(fù)材料——即介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都為負(fù)的材料（ε<0和μ<0），他給出麥克斯韋方程的解，并說明介質(zhì)的折射率為負(fù)值，稱之為左手材料，后來也被稱為負(fù)折射率材料[8]。但由于自然界中在任何波段都不存在這種天然的左手材料。盡管可見光波段的介電常數(shù)和微波段的磁導(dǎo)率可能為負(fù)，但是沒有“雙負(fù)”材料的存在，該理論研究成果在之后的 30 多年沒有引起廣泛關(guān)注，甚至還受到質(zhì)疑。導(dǎo)致這 30 多年里，關(guān)于左手材料的研究幾乎沒有獲得進(jìn)展[9]。

光線在 x-z 平面內(nèi)從一個與 x 軸角度成θi入射時，廣義折射定律可( ) ( )( ) ( )001 dsin sind1 dcos sindt t i it t tn nk xnk yφθ θφθ = = 義反射定律可以被表述為：( ) ( )( ) ( )001 dsin sind1 dcos sindi r i ii r rn nk xnk yφθ θφθ = = ni和 nt分別為入射（反射）空間和出射空間折射率，θt和θr分別為角， 為超表面的相位分布。通過相位排布可以實現(xiàn)對透射和反方向進(jìn)行調(diào)制，用于光學(xué)器件的設(shè)計時，僅僅通過一個超薄表面光束偏折、聚焦等功能。

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 李秋菊;范海濤;唐榮霞;侯藍(lán)田;;光子晶體光纖色散特性與結(jié)構(gòu)關(guān)系的研究[J];激光雜志;2007年04期

2 周文俊;相移法測量單模光纖色散特性的探討[J];電子學(xué)報;1988年01期

3 廖承恩;蒲國勝;;微帶線色散特性的有限元分析[J];西安電子科技大學(xué)學(xué)報;1988年03期

4 戎敖生,李嗣范;屏蔽平面?zhèn)鬏斁�的色散特性分析[J];電子科學(xué)學(xué)刊;1989年04期

5 尋培玨;用譜域?qū)Э狗ㄓ嬎泠捑�的色散特性[J];電子科技大學(xué)學(xué)報;1989年02期

6 姜正權(quán);;ESI光纖參數(shù)在單模光纖色散特性評價中的應(yīng)用[J];電線電纜;1989年05期

7 李斌穎;安紅明;王念慈;;屏蔽微帶線寬頻域色散特性[J];微波學(xué)報;1989年03期

8 楊靜;施偉華;;新型雙模光子晶體光纖的平坦色散特性分析[J];光通信研究;2016年06期

9 宋昭遠(yuǎn);高艷東;劉兆倫;倪正華;李曙光;侯藍(lán)田;劉曉東;;具有奇異色散特性的光子晶體光纖[J];材料導(dǎo)報;2004年09期

10 杜海龍;楊樹;;微結(jié)構(gòu)光纖800nm處的色散特性研究[J];棗莊學(xué)院學(xué)報;2013年02期

相關(guān)會議論文 前10條

1 葉紅安;黃妍;李松權(quán);竇寅豐;;利用表面等離子激元共振光譜確定金膜厚度和光學(xué)色散特性[A];豫贛黑蘇魯五省光學(xué)（激光）學(xué)會聯(lián)合學(xué)術(shù)2012年會論文摘要集[C];2012年

2 齊俊璇;文雙春;;含負(fù)折射率材料的一維光子晶體的色散特性[A];全國第十二次光纖通信暨第十三屆集成光學(xué)學(xué)術(shù)會議論文集[C];2005年

3 耿慧;熊飛;劉洋;胡威;;微結(jié)構(gòu)光纖的色散特性及其最新進(jìn)展[A];2012電力行業(yè)信息化年會優(yōu)秀論文專輯[C];2012年

4 曹苗苗;劉文鑫;王勇;李科;;介質(zhì)填充開放式金屬光柵周期結(jié)構(gòu)的色散特性分析[A];中國電子學(xué)會真空電子學(xué)分會第十九屆學(xué)術(shù)年會論文集（下冊）[C];2013年

5 喬嘉;丁榮林;高宏礁;;帶調(diào)諧隔板耦合微帶線色散特性的直線法分析[A];1999年全國微波毫米波會議論文集(上冊)[C];1999年

6 栗巖鋒;王子涵;胡明列;王清月;;光子晶體光纖色散特性的研究[A];大珩先生九十華誕文集暨中國光學(xué)學(xué)會2004年學(xué)術(shù)大會論文集[C];2004年

7 盧山;丁榮林;;微帶線色散特性的直線法研究[A];2001年全國微波毫米波會議論文集[C];2001年

8 徐善駕;寇學(xué)坤;劉健;;多層平板介質(zhì)光柵色散特性的數(shù)值分析[A];1997年全國微波會議論文集(下冊)[C];1997年

9 顧凱鈞;王蘊儀;;用直線法分析圓柱微帶的色散特性[A];1989年全國微波會議論文集（上）[C];1989年

10 趙林新;楊梓強(qiáng);梁正;;圓柱慢波結(jié)構(gòu)色散特性研究[A];中國電子學(xué)會真空電子學(xué)分會——第十四屆年會論文集[C];2004年

相關(guān)重要報紙文章 前7條

1 常麗君;NASA展示不同波長下五彩繽紛的太陽[N];科技日報;2013年

2 成都 新興 編;各種波長區(qū)數(shù)據(jù)的利用[N];電子報;2015年

3 本報記者 榮鈺;月餅與波長出租[N];網(wǎng)絡(luò)世界;2001年

4 ;OFS和LUXN率先推出1400nm波長設(shè)備[N];網(wǎng)絡(luò)世界;2002年

5 聞;思科ONS 15200實現(xiàn)“波長到大樓”[N];中國計算機(jī)報;2001年

6 ;非零色散位移單模光纖制備技術(shù)[N];科技日報;2007年

7 王嵐;ROADM電域功能有待升級[N];通信產(chǎn)業(yè)報;2007年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 李陽;多波長及寬帶超表面色散特性研究[D];中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所;2017年

2 張靜;波分復(fù)用光網(wǎng)絡(luò)中的路由與波長分配問題研究[D];重慶大學(xué);2014年

3 何榮希;WDM光網(wǎng)絡(luò)中基于約束的動態(tài)選路和波長分配算法研究[D];電子科技大學(xué);2002年

4 王天鶴;精細(xì)多波長光源及連續(xù)光頻率梳的研究[D];天津大學(xué);2015年

5 李素萍;電磁波在左手材料平板波導(dǎo)中的傳輸[D];上海大學(xué);2009年

6 陳韻;近紅外無創(chuàng)血糖測量——基準(zhǔn)波長浮動基準(zhǔn)法的研究[D];天津大學(xué);2009年

7 熊小慶;長波長熒光素衍生物的合成和性能研究[D];大連理工大學(xué);2014年

8 夏丹青;用于眼底光凝的全固態(tài)多波長激光器研究[D];華中科技大學(xué);2012年

9 韓丙辰;多波長全光3R再生及全光邏輯關(guān)鍵技術(shù)的研究[D];天津大學(xué);2010年

10 宋相中;近紅外光譜定量分析中三種新型波長選擇方法研究[D];中國農(nóng)業(yè)大學(xué);2017年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 劉小明;光子晶體光纖色散特性的理論和實驗研究[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2009年

2 賀菲;微環(huán)諧振器陣列的色散特性分析[D];長春理工大學(xué);2008年

3 武勁青;微結(jié)構(gòu)光纖的色散特性分析[D];山西大學(xué);2005年

4 李鵬沖;基于微結(jié)構(gòu)光纖的近零色散特性的理論研究和光纖設(shè)計[D];燕山大學(xué);2016年

5 郭麗霞;復(fù)合六邊形格點光子晶體光纖的色散特性分析[D];山西大學(xué);2007年

6 譚曉玲;光子晶體光纖模場分布與色散特性的研究[D];鄭州大學(xué);2006年

7 何靜;光子晶體光纖的色散特性分析及高雙折射結(jié)構(gòu)設(shè)計[D];解放軍信息工程大學(xué);2007年

8 常沛勇;注入填充物的光子晶體光纖的色散特性分析[D];蘭州大學(xué);2007年

9 胡頡;光子晶體光纖色散特性的研究[D];北京交通大學(xué);2008年

10 王紅華;幾種色散補(bǔ)償光子晶體光纖的色散特性研究[D];山西大學(xué);2008年

本文編號：2729433