【摘要】：偏振分束器是一種十分重要的偏振光學(xué)器件,能夠?qū)⑷我馄袢肷涔夥殖蓛墒黄窆�。鑒于同時(shí)具有偏振器和分束器的功能,偏振分束器廣泛應(yīng)用于光學(xué)測(cè)量、光纖通訊和藥物科學(xué)等領(lǐng)域。隨著微納米科學(xué)理論方法的完善和制備技術(shù)的進(jìn)步,光學(xué)系統(tǒng)逐漸朝著微型化和集成化趨勢(shì)發(fā)展。特別是在空間體積受限的情況,光學(xué)器件和光學(xué)系統(tǒng)的微型化具有十分重要的意義。然而,由于材料和制備工藝的限制,傳統(tǒng)偏振分束器的體積較大,不適合于光學(xué)系統(tǒng)的微型集成。超表面,一種由亞波長(zhǎng)尺寸散射體通過亞波長(zhǎng)間隔排列組成的新型人造二維結(jié)構(gòu),能夠在亞波長(zhǎng)厚度內(nèi)對(duì)光的振幅、相位和偏振進(jìn)行控制。其中,一種基于介電材料中極化聲子振動(dòng)的超表面——全介電超表面,由于能夠?qū)膺M(jìn)行高效控制,實(shí)現(xiàn)多個(gè)功能的單片集成,且制備工藝與現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝相兼容,在實(shí)現(xiàn)單個(gè)光學(xué)器件的微型化和光學(xué)系統(tǒng)的微型集成方面具有極大的潛力和優(yōu)勢(shì)。鑒于此,本學(xué)位論文開展了全介電超表面偏振分束器設(shè)計(jì)方法、表征方法及其在角度測(cè)量中的應(yīng)用等探索性研究,主要研究工作及創(chuàng)新點(diǎn)包括:推導(dǎo)了全介電超表面單元透射系數(shù)與全介電超表面偏振分束器性能的關(guān)系,提出了全介電超表面偏振分束器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,設(shè)計(jì)出高性能的全介電超表面線偏振分束器和圓偏振分束器,并對(duì)其性能進(jìn)行仿真分析。分析了全介電超表面單元的透射特性、局部效應(yīng)近似以及結(jié)構(gòu)尺寸誤差對(duì)超表面性能的影響。揭示了局部效應(yīng)近似有效的根本原因是超表面頂層結(jié)構(gòu)中散射體對(duì)入射光的引導(dǎo)和強(qiáng)烈禁錮。提出了一類高透射率全相位控制的超表面單元,且單元的結(jié)構(gòu)尺寸誤差對(duì)所組成超表面性能的影響較小。本文所提出超表面單元的特性降低了制備要求,提高了全介電超表面的可制造性。推導(dǎo)了器件偏振特性參數(shù)與器件穆勒矩陣元素之間的關(guān)系,建立了偏振特性表征的理論方法。分析了全介電超表面偏振分束器的測(cè)量需求,并根據(jù)該需求,研制出透射式成像穆勒矩陣橢偏儀,為器件的偏振特性表征提供了實(shí)驗(yàn)技術(shù)。制備出全介電超表面圓偏振分束器。利用偏振特性表征方法和透射式成像穆勒矩陣橢偏儀,測(cè)量并分析了所制備全介電超表面圓偏振分束器的偏振特性。開展了全介電超表面偏振分束器在角度測(cè)量領(lǐng)域中的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)研究。提出一種基于偏振光學(xué)的滾轉(zhuǎn)角測(cè)量方法,設(shè)計(jì)了一種基于全介電超表面偏振分束器的滾轉(zhuǎn)角傳感器,分析了該傳感器的理論性能。研制出該滾轉(zhuǎn)角傳感器的原理樣機(jī),并結(jié)合所研制的透射式成像穆勒矩陣橢偏儀,提出該滾轉(zhuǎn)角傳感器系統(tǒng)參數(shù)的校準(zhǔn)方法。在此基礎(chǔ)上,評(píng)估了該滾轉(zhuǎn)角傳感器原理樣機(jī)的性能。本學(xué)位論文在全介電超表面偏振分束器設(shè)計(jì)、表征及其應(yīng)用方面的研究,為全介電超表面偏振分束器的實(shí)際應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ),為深入認(rèn)識(shí)和理解偏振分束器提供理論方法和實(shí)驗(yàn)技術(shù);為滾轉(zhuǎn)角傳感器的微型化提供新方法和新途徑,豐富了現(xiàn)有的滾轉(zhuǎn)角測(cè)量技術(shù)。
【圖文】：

2-2 用于描述 Pancharatnam Berry 相位理論的示意爾定理滿足 Fermat 原理，即光線從固定點(diǎn) A 到固定點(diǎn) B，其）是極值，通常是極小值，可表示為： BA0dn r drdr 環(huán)境的局部折射率，dr 表示沿光線傳播方向無限小的n r)的關(guān)系 Φ = 2 fnr/c 可知（f 為光線的頻率，c 為光點(diǎn) A 到固定點(diǎn) B，光線傳播積累的相位也是極小的。如限接近實(shí)際光路，那么他們的相位差為零，即：0 0sin sin 0i i t tk n dx k n dx / 0, 0為光線在真空中的波長(zhǎng)；ni和 nt分別是兩介質(zhì)的角和折射角；dx 為兩光路與界面相交處的距離。式

n通常取 1）。另外，由于超表面單元在y方向的周期小于入射光波長(zhǎng)，，且入射角為0 ，因此式(3-4)中的積分只需在x方向進(jìn)行。圖3-1 全介電超表面偏振分束器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中藍(lán)色虛線框表示一個(gè)超級(jí)單元。對(duì)于線和圓偏振分束器，其設(shè)計(jì)原理分別是基于 Mie 理論和 PB 相位理論引入的突變相位。上述兩種突變相位，可分別通過變化橢圓柱的結(jié)構(gòu)尺寸和方位角來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于改變橢圓柱結(jié)構(gòu)尺寸的方式，出射光電場(chǎng)與各個(gè)橢圓柱的光學(xué)特性相關(guān)。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)整個(gè)超級(jí)單元進(jìn)行建模；對(duì)于改變橢圓柱方位角的方式，出射光電場(chǎng)只與一個(gè)橢圓柱的光學(xué)特性相關(guān)。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)可以只對(duì)超表面單元進(jìn)
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TH74

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 孫樹林;何瓊;周磊;;電磁超表面[J];物理;2015年06期

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1 陳修國(guó);基于廣義橢偏儀的納米結(jié)構(gòu)測(cè)量理論與方法研究[D];華中科技大學(xué);2013年

2 王定理;納米壓印技術(shù)及其在金屬光柵偏振分束器和半導(dǎo)體激光器上的應(yīng)用[D];武漢大學(xué);2010年

本文編號(hào)：2677136