【摘要】：光學(xué)模擬計(jì)算器件是指能夠?qū)θ肷涞目臻g光場進(jìn)行不同的數(shù)學(xué)運(yùn)算的器件。近年來,由于納米光子學(xué)和微納制造工藝逐漸成熟,相關(guān)的研究也得到越來越多的關(guān)注。這種新型光學(xué)器件能夠在光場與器件作用的時(shí)間內(nèi)對整個(gè)光場實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)運(yùn)算功能,理論上會(huì)比電子計(jì)算器件有更高的速度。本文主要提出了多種光學(xué)模擬計(jì)算器件的實(shí)現(xiàn)方法,并對其應(yīng)用范圍,實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn),以及改進(jìn)方向進(jìn)行探討。文章首先介紹了光學(xué)模擬計(jì)算的基本原理,以及與傅里葉光學(xué),模擬電子等學(xué)科的關(guān)系,同時(shí)分析了國內(nèi)外光學(xué)模擬計(jì)算的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢,同時(shí)總結(jié)了目前幾種主要的光學(xué)模擬計(jì)算實(shí)現(xiàn)方法以及其對應(yīng)的不足與局限性。隨后我們提出了 一種基于多層膜結(jié)構(gòu)的光學(xué)模擬計(jì)算器件,使用傳輸矩陣的方法對多層膜層數(shù)及厚度等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化探索,對優(yōu)化出來的結(jié)構(gòu)使用COMSOL和CST等仿真軟件驗(yàn)證了其具有光學(xué)模擬計(jì)算的效果。另外,通過對不同尺寸的光場,以及不同多層膜結(jié)構(gòu)的器件進(jìn)行模擬,我們還探究了入射場角譜與器件優(yōu)化角譜的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)了對于不同尺寸的光場,對光學(xué)計(jì)算器件運(yùn)算效果有不同的影響。由此,文章針對不同的入射光場提出了一系列的優(yōu)化方案,模擬結(jié)果也與文章的推論一致。另外,我們也提出了 一種基于人工電磁表面結(jié)構(gòu)的光學(xué)模擬計(jì)算器件并對其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,整個(gè)結(jié)構(gòu)能夠采用COMOS工藝進(jìn)行制備,而且能夠推廣到不同波長中。相比起使用多層膜結(jié)構(gòu),人工電磁表面結(jié)構(gòu)能夠提高器件與光場作用的信噪比,也提高了對結(jié)構(gòu)的魯棒性,不過設(shè)計(jì)的靈活性也有所下降。
【圖文】：

我們這里需要用到阿貝的二次衍射成像理論。根據(jù)阿貝成像理論，被觀察物逡逑可以看成是一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的二維衍射光柵，當(dāng)用單色平面波照射該物體時(shí)，成逡逑像過程可分作兩步，如圖１．２所示。首先，物平面上發(fā)出的光波經(jīng)物鏡，在其后逡逑焦面上產(chǎn)生夫瑯和費(fèi)衍射，得到第一次衍射像；然后該衍射像作為新的相干波源，逡逑由它發(fā)出的次波在像平面上干涉而構(gòu)成物體的像，稱為第二次衍射像｜５］。其中圖逡逑中Ｏｂｊｅｃｔ為物鏡（一次成像），后接的是凸透鏡（二次成像），Ｆｏｃａｌ邋ｐｌａｎｅ為逡逑后焦面，Ｉｍａｇｅ為像面（出射光場分布）。在傅里葉光學(xué)中，在大多數(shù)情況下，逡逑主要使用了雙透鏡系統(tǒng)（４ｆ系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)對空間光場的信息處理，目的是為了在后逡逑焦面上呈現(xiàn)無窮遠(yuǎn)處夫瑯禾費(fèi)衍射圖案。系統(tǒng)的基本組成單元如圖１．３所示。逡逑ｈ邋Ｉｎｐｕｔ邐Ｌ２邋Ｆｉｌｔｅｒ邐Ｌ３邋Ｏｕｔｐｕｔ逡逑ｓ（ｘ，ｙ）邐Ｓ＊（ｆｘ，ｆｙ）逡逑圖１．３邋４ｆ系統(tǒng)示意圖ｗ逡逑這里Ｓ為光源

人工電磁表面等結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)［Ｍ６］，２０１４年賓夕法尼亞大學(xué)Ｎ．邋Ｅｎｇｈｅｔａ教授領(lǐng)導(dǎo)逡逑的科研小組提出了采用人工電磁材料，仿真實(shí)現(xiàn)了光學(xué)模擬計(jì)算的微型化，集成逡逑化［１７］，其功能與結(jié)構(gòu)如圖２．１所示。他們主要的工作為設(shè)計(jì)了一個(gè)亞波長尺寸的逡逑光信息處理系統(tǒng)，由一個(gè)人工電磁表面以及兩個(gè)梯度折射率波導(dǎo)組成。其中梯度逡逑折射率波導(dǎo)作為對入射場傅里葉變換和逆變換元件，人工電磁表面作為空間光濾逡逑波器件，，能夠在空間頻率面上對光場進(jìn)行操縱，這里相當(dāng)于前面４ｆ系統(tǒng)中空間濾逡逑波面，可以引入不同的光學(xué)運(yùn)算功能，從而實(shí)現(xiàn)光學(xué)模擬計(jì)算元件的微型化，集逡逑成化。逡逑（ａ）邐（ｂ）邐Ｍｅｔ娜Ｌｇ逡逑圖２．１光學(xué)模擬計(jì)算示意圖［１７］逡逑另外，該小組也指出利用［１４］等文獻(xiàn)提出的單層金屬單元結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的人工電磁逡逑表面理論上效率不夠高，他們采用［１８１提出的利用三層的人工電磁傳輸陣列逡逑ｍｅｔａ－ｔｒａｎｓｍｉｔ邋ａｒｒａｙ邋（ＭＴＡ）結(jié)構(gòu)能夠理論上實(shí)現(xiàn)１００％的輸出效率。該結(jié)構(gòu)主逡逑要利用摻鋁氧化鋅（ＡＺ０）與硅（Ｓｉ）作為響應(yīng)單元，通過改變其幾何尺寸能夠逡逑實(shí)現(xiàn)對其透射率的幅值和相位同時(shí)調(diào)控
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TH74

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本文編號：2669991