【摘要】：光學(xué)超表面(metasurface)器件是微納光學(xué)的熱門研究領(lǐng)域之一,其在傳感、成像、全息投影以及光電探測(cè)等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用價(jià)值和潛力,而諧振器結(jié)構(gòu)是超表面光學(xué)器件的重要組成。通過(guò)諧振器的引入,不再依賴厚度來(lái)相位積累,可以實(shí)現(xiàn)在亞波長(zhǎng)尺寸的傳播距離上對(duì)光的靈活控制。隨著微納制備工藝的進(jìn)步,得到的諧振器單元結(jié)構(gòu)質(zhì)量越來(lái)越高,基于諧振器的超表面器件功能也逐漸增多。但是其面臨的問(wèn)題也十分明顯:傳統(tǒng)等離子體諧振器構(gòu)成的超表面有很高的歐姆損耗,極大地限制了器件的工作效率,而常用硅介質(zhì)材料在可見(jiàn)光波段也存在著同樣的問(wèn)題,如何實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光段高效率超表面器件仍然是個(gè)難題。此外超表面器件的光學(xué)響應(yīng)往往在制備出來(lái)的同時(shí)也被固定下來(lái),如何實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)光調(diào)制非常關(guān)鍵。另外,可見(jiàn)光段超表面器件的制備往往需要精密的制備技術(shù)和時(shí)間成本,尋找新的機(jī)制降低制備難度,同時(shí)保證器件性能也是研究重點(diǎn)之一。最后,如何更好地結(jié)合新材料,構(gòu)建復(fù)合光學(xué)超表面,進(jìn)而拓展其在光波前調(diào)控之外更廣闊的領(lǐng)域也急需研究。針對(duì)上述光學(xué)超表面面臨的問(wèn)題,本文主要研究了基于介質(zhì)諧振器的光學(xué)超表面器件。本文從兩個(gè)方面進(jìn)行了研究和應(yīng)用:一是在構(gòu)成器件的材料上從有損耗的硅材料過(guò)渡為無(wú)損耗的二氧化鈦材料,最后到有增益的鈣鈦礦介質(zhì)材料;二是對(duì)光調(diào)制的內(nèi)容上從簡(jiǎn)單的光譜調(diào)制到波前相位控制,最后到實(shí)現(xiàn)增益激光調(diào)制。此外,本文還開(kāi)發(fā)了對(duì)超表面器件進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控的方法,具體內(nèi)容如下:(1)研究了光學(xué)結(jié)構(gòu)中的Fano諧振特性,利用中紅外硅基Fano諧振器構(gòu)成的超表面形成高品質(zhì)因子(Q值)諧振。數(shù)值模擬表明利用硅基諧振器之間的耦合,形成的諧振具有高達(dá)1839的Q值,對(duì)環(huán)境折射率的敏感度可以達(dá)到1200 nm/RIU以上,品質(zhì)因子FOM能夠達(dá)到185。之后采用Random-phase approximation理論描述石墨烯的光學(xué)性質(zhì),數(shù)值模擬超表面器件對(duì)石墨烯厚度變化的敏感度,結(jié)果顯示品質(zhì)因子高達(dá)6.5。(2)制備了高質(zhì)量二氧化鈦薄膜,在632 nm出折射率可達(dá)到2.2,虛部可以忽略不計(jì)。理論上設(shè)計(jì)了二氧化鈦諧振器單元構(gòu)成的超表面器件,電偶極諧振與磁偶極諧振之間相互耦合,在可見(jiàn)光光譜上實(shí)現(xiàn)窄帶高反射調(diào)制,色度學(xué)上,光譜的特征表現(xiàn)為鮮艷、廣色域的結(jié)構(gòu)色。實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行了光學(xué)驗(yàn)證,峰值強(qiáng)度達(dá)到64%以上,半高寬30 nm,并證明了其角度不敏感和偏振不敏感特性。像素點(diǎn)測(cè)試證明該結(jié)構(gòu)色超表面的空間分辨率可以達(dá)到16,000 dpi以上,并且實(shí)現(xiàn)了明亮、高對(duì)比度、高分辨率的彩色圖像印刷。(3)二氧化鈦結(jié)構(gòu)色超表面與微流通道結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了可重構(gòu)的全彩色打印。數(shù)值分析表明環(huán)境折射率的變化會(huì)引起二氧化鈦諧振器諧振光譜的變化,隨著折射率升高會(huì)引起固定尺寸結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出的結(jié)構(gòu)色紅移。實(shí)驗(yàn)上,超表面結(jié)構(gòu)與微流通道集成,通過(guò)通入水、二甲基亞砜以及二硫化碳,驗(yàn)證了環(huán)境折射率對(duì)光譜和結(jié)構(gòu)色的調(diào)控效果。另外通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)印刷信息的加密,并在高速攝像觀測(cè)下,得到該器件顏色調(diào)控響應(yīng)時(shí)間在16 ms甚至更短。(4)設(shè)計(jì)了低高寬比(1-1.5)的二氧化鈦超表面,對(duì)正交偏振反射光能夠?qū)崿F(xiàn)-π到π的高效率全相位控制。理論上根據(jù)廣義斯涅耳定律實(shí)現(xiàn)了相位梯度超表面設(shè)計(jì),理論上效率可以達(dá)到80%。實(shí)驗(yàn)上在8°的角度上實(shí)現(xiàn)了異常反射,效率約占入射光總能量的49%。采用Gerchberg-Saxton算法和菲涅爾衍射過(guò)程經(jīng)過(guò)優(yōu)化求解獲得目標(biāo)圖像的全相位分布圖,實(shí)驗(yàn)制備和光學(xué)表征證明該超表面對(duì)紅光(632 nm)、綠光(520 nm)以及藍(lán)光(445 nm)在遠(yuǎn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)全息投影,并達(dá)到36.7%、24.5%和13.9%的轉(zhuǎn)換效率。(5)通過(guò)一步溶液法制備了鈣鈦礦納米帶,作為諧振器與納米金光柵構(gòu)成復(fù)合結(jié)構(gòu)。模擬和實(shí)驗(yàn)表明,通過(guò)激光泵浦,光的橫向波導(dǎo)模式可以被限制在尺寸約為400 nm空氣間隙內(nèi),并在光譜上觀測(cè)到明顯的激光特性,利用鈣鈦礦納米帶的單晶特性,實(shí)現(xiàn)高度均勻的納米激光陣列,集成密度可以可以達(dá)到1250/mm。本文的研究工作為光學(xué)超表面器件的應(yīng)用提供了實(shí)驗(yàn)和理論基礎(chǔ),基于本文實(shí)現(xiàn)的石墨烯厚度探測(cè)、高飽和度高分辨率彩色打印、動(dòng)態(tài)可重構(gòu)彩色打印、可見(jiàn)光全相位調(diào)制以及高密度激光陣列等結(jié)果,提升了光學(xué)超表面器件在傳感、成像、光開(kāi)關(guān)、全息投影以及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的實(shí)用性和應(yīng)用潛力。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TH74
【圖文】：

大學(xué) Capasso 課題組首先提出了一種界面不，并且根據(jù)費(fèi)馬原理提出了廣義反射和折射定了在中紅外波段對(duì)線偏振光的控制[9,10]。之到近紅外波段[11]。該結(jié)構(gòu)只能調(diào)控正交偏振的光則保持正常狀態(tài)。這種對(duì)光傳播的特殊線兩臂之間的正交投影。對(duì)于一個(gè) V 型天線向的時(shí)候其支持一個(gè)對(duì)稱模式，而當(dāng)電場(chǎng)偏振稱模式。在適當(dāng)偏振光的照射下，兩種模式在意愿調(diào)整。通過(guò)改變 V 型天線臂長(zhǎng)、兩臂之來(lái)的正交偏振輻射的強(qiáng)度和相位都可以實(shí)這些天線，渦旋相位板[9]、寬帶光束偏轉(zhuǎn)[1全息[13]等等應(yīng)用都得以實(shí)現(xiàn)。根據(jù)巴比涅原米孔狀結(jié)構(gòu)也可以實(shí)現(xiàn)類似的功能，甚至獲。

通過(guò)采用 Pancharatnam-Berry(PB)相位[16,17]，組提出采用金屬納米棒來(lái)調(diào)制圓偏振光的相位面[18]，如圖 勢(shì)在于每一個(gè)納米棒所產(chǎn)生的相位延遲 線性依賴于其方 ，其中符號(hào)由入射光的偏振態(tài)決定。此外，由于每一個(gè)結(jié)構(gòu)持不變，使得散射強(qiáng)度也不會(huì)發(fā)生改變�；谶@樣的原理，精巧的設(shè)計(jì)。在 2014 年，Shuang Zhang 課題組采用開(kāi)口金于光強(qiáng)度和相位的分別控制[19]。2015 年，Mu Wang 課題組構(gòu)實(shí)現(xiàn)了高效激發(fā)圓偏振光的應(yīng)用[20]。因?yàn)?PB 相位這種幾概念很容易被擴(kuò)展到其他頻率范圍[21-23]。需要注意的是 PB光入射下工作，特別是當(dāng)線偏振光入射時(shí)，兩種圓偏振光會(huì)遲。通過(guò)利用這種偏振相關(guān)的相位響應(yīng)，可以利用 PB 相位的光產(chǎn)生不同的行為，比如雙偏振超透鏡[24,25]和偏振切換全用無(wú)源材料制成的非磁超表面調(diào)控的效率理論上都會(huì)低于際應(yīng)用[28]。

圖 1-3 基于 MIM 結(jié)構(gòu)的高效異常反射超表面[29]etasurfaces consisting of nanorods can manipulate rehigh efficiency.[29]理，波前上每個(gè)面元都可以看做是新的振動(dòng)點(diǎn)的振動(dòng)是所有這些次波在該點(diǎn)的相干疊用假想的電和磁極化電流作為次級(jí)波源，研了實(shí)現(xiàn)這樣的控制，有著表面電磁極化率ee 面上。如圖 1-4 所示，2014 年 Pfeiffer 等人兩種極化電流的功能層，實(shí)現(xiàn)了在通信波段]，此外還通過(guò)將雙各向異性極化諧振器非周束整形[37]。

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