近些年來,平面光學(xué)器件的設(shè)計(jì)已經(jīng)成為光子集成和光子芯片發(fā)展至關(guān)重要的研究方向和熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的光學(xué)器件都是采用自然界中的材料,尺寸比較大,難以做到片上集成、電磁波的偏振操控、微型化等功能。基于超表面實(shí)現(xiàn)的光學(xué)器件,由于具備亞波長(zhǎng)的尺寸、可集成化、能任意控制電磁波波前等優(yōu)點(diǎn),逐漸成為制作光學(xué)器件的最佳選擇。但若使用金屬作為材料,其非常高的金屬損耗使得設(shè)計(jì)的光學(xué)器件具有極低的效率。因此,本文根據(jù)借助時(shí)域有限差分法重點(diǎn)研究基于介質(zhì)超表面的光學(xué)器件器件的相關(guān)設(shè)計(jì)及應(yīng)用。具體研究?jī)?nèi)容如下:(1)提出了一種具有極高透射率的基于硅納米磚陣列的超薄介質(zhì)超表面。通過調(diào)整硅納米磚的長(zhǎng)和寬的尺寸可以分別對(duì)入射的x線偏振光和y線偏振光實(shí)現(xiàn)0到2π的相位調(diào)控,兩種偏振光的相位調(diào)控相互獨(dú)立并且其同向偏振光的透射率都超過了 90%。基于所設(shè)計(jì)的介質(zhì)超表面,我們實(shí)現(xiàn)了工作在通信波段(1500nm)下的光學(xué)偏振分束器,其將兩個(gè)正交線偏振光偏轉(zhuǎn)到不同方向,偏轉(zhuǎn)角度分別為±16.3°。同時(shí),我們還設(shè)計(jì)了一個(gè)基于介質(zhì)超表面的偏振不依賴的光束偏轉(zhuǎn)器,通過改變超表面的晶格常數(shù)和超晶胞內(nèi)天線的個(gè)數(shù)可以實(shí)現(xiàn)任意的偏轉(zhuǎn)角度。此外,為了能夠在實(shí)驗(yàn)中提取兩種正交偏振態(tài),我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)將x和y線偏振光聚焦到不同位置的超薄超透鏡。(2)設(shè)計(jì)了一種基于高階介質(zhì)超表面的高效偏振分束器和渦旋光產(chǎn)生器。以往的光學(xué)器件都在±1階衍射模式下控制光束波前,我們通過調(diào)控一個(gè)超晶胞內(nèi)離散相位分布使設(shè)計(jì)的光學(xué)器件工作在高階衍射模式下,并且具有很高的透射率。基于高階介質(zhì)超表面,我們?cè)O(shè)計(jì)了在通信頻段下的兩個(gè)具有突變相位不連續(xù)性并且分別工作在三階和五階衍射模式下的偏振分束器。此外,我們還設(shè)計(jì)了工作在高階衍射模式下的拓?fù)浜朔謩e為2和3的兩個(gè)渦旋光束產(chǎn)生器。這種設(shè)計(jì)方法可以拓展到其他具有高效率的光學(xué)透射器件上。(3)提出了一種基于介質(zhì)超表面的波片與光學(xué)器件相結(jié)合的雙功能器件�；谖覀�?cè)O(shè)計(jì)的介質(zhì)超表面能夠?qū)ΣㄩL(zhǎng)為1500nm的入射光的偏振和相位波前進(jìn)行同時(shí)控制的理論,我們?cè)?360nm至1640nm的寬波段范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了超過70%效率的可逆的四分之一波片和光束偏轉(zhuǎn)器結(jié)合的雙功能器件。接著,我們又設(shè)計(jì)了半波片/光束偏轉(zhuǎn)器,四分之一波片/超透鏡,半波片/超透鏡這三個(gè)雙功能器件,驗(yàn)證了我們?cè)O(shè)計(jì)的雙功能器件的可行性,有利于器件的小型化和集成化。
【學(xué)位單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TH74
【部分圖文】：

圖２．１界面處引入突變相位的折射逡逑Ｆｉｇ邋２．１邋Ｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ邋ｗｈｅｎ邋ｉｎｄｕｃｉｎｇ邋ａｎ邋ａｂｒｕｐｔ邋ｐｈａｓｅ邋ｏｎ邋ｔｈｅ邋ｓｕｒｆａｃ７逡逑

邐（２．４）逡逑人逡逑其中／為焦距，如下圖２．２所示為超透鏡聚焦的原理圖，可知，原本剛?cè)肷溴义系浇缑嫣帟r(shí)每點(diǎn)的相位都是相同的，在界面處放置超表面從而引入突變的相位，逡逑相位滿足拋物線的分布，使得入射光匯聚到焦點(diǎn)處。逡逑２丨邋＇、《１邋ｖ；逡逑邐Ｉ邋一＇突變相位逡逑ｘ邋＼逡逑ｉ邐￣超表面逡逑Ｔ平面波逡逑圖２．２基于超表面的超透鏡的示意圖逡逑Ｆｉｇ．邋２．２邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｍｅｔａｌｅｎｓ邋ｂａｓｅｄ邋ｏｎ邋ｔｈｅ邋ｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅ逡逑而要設(shè)計(jì)三維空間的聚焦時(shí)，常用的方法仍然是使用類似于上述的相位補(bǔ)逡逑償，是的在界面處的補(bǔ)償相位呈現(xiàn)出類似于拋物面的分布，其相位滿足的公式為：逡逑（？（ｘ，ｙ）＝—（＼ｊｘｌ＋ｙ２邋＋ｆ２￣ｆ）邐（２．５）逡逑人逡逑y.抑R%物光逡逑參考光５！~=彳：！功喊逡逑＝１＿彮－２逡逑邐逡逑圖２．３全息圖原理的示意圖逡逑Ｆｉｇ．邋２．３邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｗｏｒｋｉｎｇ邋ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｃｏｍｐｕｔｅｒ－ｇｅｎｅｒａｔｅｄ邋ｈｏｌｏｇｒａｍｓ逡逑但是利用這種等光程原則獲得的相位不適用于結(jié)構(gòu)單元較多的情況，仿真計(jì)逡逑算工作量也會(huì)過于龐大，一般采用基于菲涅爾衍射原理的相位全息圖的方法獲得逡逑９逡逑

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