傳統(tǒng)的光學器件,如棱鏡、透鏡和螺旋相位板,依賴光在傳輸過程中的相位積累去產生期望的波前。一般這類光學器件具有不規(guī)則的幾何外形和較大的體積,不利于器件的微型化和集成化。超表面是一類縮減維度的超常材料,可以引入突變的界面相位不連續(xù),實現(xiàn)對電磁波的相位、幅度和偏振的完全控制。光學超表面具有的超薄和平面幾何特性,使基于超表面的器件易于和其他光學器件集成發(fā)展緊湊的多功能光學器件。超表面引入的界面突變的相位可以是自旋無關的,也可以是自旋相關的相位,即Pancharatnam-Berry相位。左旋和右旋圓偏振光入射到Pancharatnam-Berry相超表面上,獲得共軛的附加相位。在這個共軛的附加相位的作用下,入射的左旋圓偏振光和右旋圓偏振光具有不同的傳輸行為�；诮饘僦C振子的反射型超表面可以實現(xiàn)很高的衍射效率。由于金屬的歐姆損耗,基于金屬諧振子的傳輸型超表面很難獲得高的傳輸效率。全電介質超表面可以引入界面突變的相位,這類超表面不存在金屬的固有歐姆損耗,以致傳輸型的全電介質超表面可以實現(xiàn)很高的傳輸效率。實現(xiàn)高的傳輸效率是器件邁向實際應用過程的關鍵的一步。本論文首先研究基于電介質超表面的Pancharatnam-Berry相調控機理,進而發(fā)展基于電介質超表面的自旋光子學器件,如:光子自旋分離器、軸向自旋相關的多焦點透鏡、光子自旋濾波器。相關的研究工作具體如下:1.實現(xiàn)光子自旋相關的分裂,分裂后的光斑的強度圖案可以任意構造。以前關于光子自旋分離器的工作,都是致力于兩種自旋態(tài)光子的分裂,沒有考慮分裂后的自旋相關的光斑圖案。而實際應用中往往需要特殊形狀的自旋相關的光斑。這里利用空間光調制器和電介質超表面的組合,實現(xiàn)了任意強度圖案的自旋分裂。首先理論計算了兩種圓偏振分量分離的距離和超表面光軸一維旋轉率及傳輸距離的定量的關系。以典型的光強分布如:渦旋光束、厄米光束和艾里光束及特殊的符號為例,來演示分離的強度圖案的性能。分離后的自旋相關的光斑圖案可以是一樣的,也可以不一致。進一步實驗演示了分離的光斑呈現(xiàn)兩種不同的強度分布。實現(xiàn)的分離后的自旋相關的強度圖案的質量非常好,其原因可以歸結于電介質超表面的傳輸效率和轉換效率高。設計的自旋分離器可以用于分析入射光的自旋態(tài)。相關結果在信息處理和自旋加密方面有一定的應用前景。2.基于Pancharatnam-Berry相超表面,實現(xiàn)軸向自旋相關的多焦點。隨著信息量的急劇增長,以及人們對通信速度提出了更高要求,導致通信系統(tǒng)變得越來越復雜。因此,發(fā)展緊湊的、集成的光子學器件,顯得非常急切和重要。構成光通信系統(tǒng)的器件主要由玻璃制作的。將Pancharatnam-Berry元件直接集成到玻璃里面,具有重要的科學價值和實際應用價值。本文以Pancharatnam-Berry相透鏡和傳統(tǒng)的動力學相透鏡集成為例子進行實驗演示。集成透鏡在傳輸邊沿軸向形成自旋相關的多焦點。與傳統(tǒng)透鏡只有單極性不同,這里通過控制入射光子的自旋態(tài),焦點的強度和自旋態(tài)都可控。該透鏡可能在3D成像、粒子操控和光通信系統(tǒng)中具有潛在的應用價值。方法可以方便的拓展到光纖和激光腔中,直接產生軌道角動量模,用于基于軌道角動量的光通信中。3.基于兩個Pancharatnam-Berry相超表面,實現(xiàn)光子自旋濾波。光子自旋為控制光提供了一個新的自由度。操控光子自旋是利用這一新的自由度的基礎。很多工作都致力于光子自旋操控,如光子自旋霍爾效應。然而,由光子自旋霍爾效應導致的兩種圓偏振分量的橫向移位非常小。為了探測這個小的的移位,常常需要借助量子弱測量技術。超常材料為增強兩種圓偏振分量的分離距離提供了機遇,但是從這兩種分離的自旋分量中提取出一種期望的自旋分量還是存在難度。受自旋電子濾波器和空間濾波器的啟示,提出并實驗演示了基于電介質超表面的自旋光子濾波器。濾波器能夠從入射光子中分離出純度高的期望的自旋態(tài)光子。濾波器由兩個共焦點的Pancharatnam-Berry相位透鏡和一個位于公共焦點處的光闌構成。第一個Pancharatnam-Berry相位透鏡聚焦期望分離出的自旋態(tài)光子,而另外一種自旋態(tài)的光子被發(fā)射。緊接著的光闌只讓聚焦的自旋光子通過。第二個Pancharatnam-Berry相位透鏡恢復自旋光子的傳輸方向和自旋態(tài)到入射自旋濾波器時的狀態(tài)。4.提出緊湊的光子自旋濾波器,并利用該濾波器提取出高階龐加萊球上的矢量光束的圓偏振分量。緊湊的光子自旋濾波器是通過將焦距為?f的Pancharatnam-Berry相透鏡集成到焦距為-f的傳統(tǒng)的平凹透鏡里面而成的。通過選擇濾波器的入射端口,光子自旋濾波器可以從入射混合自旋態(tài)光子中選擇期望手性的光子沿原來的傳輸方向繼續(xù)傳輸,而不需要的手性光子被很快的發(fā)散。高階龐加萊球可以方便地表示矢量渦旋光束,球的兩極(兩個基)表示手性和拓撲荷數(shù)均相反的渦旋光束,球上其他點表示的光束都可以看做兩極態(tài)的同軸疊加。所設計的緊湊的光子自旋濾波器可以方便地分別提取高階龐加萊球上任意一點表示的光束的兩個自旋相關的基分量。為了簡單而不失一般性,以高階龐加萊球(l(28)2)的經線(?(28)0)上的五個點為例。通過比較理論結果和測量的強度和反演的偏振,可以發(fā)現(xiàn)自旋濾波器能有效提取期望手性的圓偏振分量,如右旋或左旋圓偏振分量。緊湊型光子自旋濾波器為操控光提供了一種簡單的方法,其原理可能在光子學器件的設計方面具有一定的潛在應用價值。
【學位單位】：湖南大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2017
【中圖分類】：TH74
【部分圖文】：

d /dx表示界面引入的沿 x 方向的相位梯度。用類似的方法，可以得到廣義的反定律[1]：0sin( ) sin( )2ir idn dx （1.3r分別表示反射角。式（1.2）和（1.3）表明可以通過設計突變的界面相位梯度現(xiàn)對反射光線和折射光線的任意調控。當界面相位梯度為 0，廣義的斯涅爾回歸到常規(guī)的斯涅爾定律。由于在廣義的斯涅爾定律中引入了界面突變的相位于光線以入射角i 入射，折射角度不再只是符號相反，折射角度的數(shù)值也會。在引入界面相位梯度下，全反射臨界角和全透射臨界角分別為[1]：0arcsin2tci inndn dx （1.4' 0arcsin 12cidn dx （1.5反射和全透射的臨界角由入射波長，入射邊的折射率和出射邊折射率以及界位梯度決定。

博士學位論文折射光線滿足[4]：01cos sint ttkdn dx （101sin sint t i in nkddy （1 t 表示波矢r t k和它在xz 平面的投影之間的夾角，r t 表示 在 平面的 z 軸間的夾角，如圖 1.1 所示。如果引入的界面相位梯度在入射平面 d / dx 0），則反常反射和折射發(fā)生在入射平面內。

是通過控制光程的不同來實現(xiàn)所需要的不敏感，即左旋和右旋圓偏振光通過器件后具有相aratnam-Berry 相）不同于動力學相位，它是通過相位。左旋和右旋圓偏振光入射到 Pancharatnam附加相位。在這個共軛的附加相位的作用下，入光具有不同的傳輸行為。am-Berry 幾何相可以方便的用龐加萊球表示[32]。和左旋圓偏振光，赤道上的點表示不同方位的線點表示橢圓偏振光。同一手性的圓偏振光沿不同演化路徑引入不同的相移，如圖 1.3 所示。不同線演化。反轉手性的光子獲得的 Pancharatnam-B符號取決于入手光子的手性[32]。光軸的方向角可以 Pancharatnam-Berry 相可以完全覆蓋 到 2 。通實現(xiàn)基于 Pancharatnam-Berry 相的任意波形整形

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5 劉s

本文編號：2809601