本文關鍵詞：基于太赫茲表面等離激元的偏振復用器件　出處：《哈爾濱工業(yè)大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：表面等離激元是局域在金屬/電介質(zhì)分界面?zhèn)鞑サ碾姶耪袷?具有亞波長、場局域和場增強的特性,在微納集成光學、高靈敏傳感、超分辨光刻與成像和提高太陽能電池效率等領域具有重要的應用前景。當光波入射到亞波長金屬結構時,會激發(fā)表面等離激元,設計結構可調(diào)控表面等離激元的振幅和相位,實現(xiàn)不同功能(聚焦、渦旋、反射和產(chǎn)生特殊光束等)的表面等離激元器件。偏振作為光波的基本特性之一,在增加通信容量、3D顯示和生物分子光譜與傳感等領域有重要的應用。然而,傳統(tǒng)的光電探測器和人的眼睛對光波偏振的響應并不敏感,這極大地限制了對于光波偏振的進一步應用。本論文利用表面等離激元的振幅和相位與入射光偏振密切相關這一特性,在太赫茲波段研究和設計了三種不同的偏振復用器件:半圓環(huán)太赫茲表面等離激元透鏡、基于金屬狹縫陣列的太赫茲表面等離激元透鏡和偏振復用超表面透鏡。線偏振太赫茲、左旋圓偏振太赫茲和右旋圓偏振太赫茲入射時,不同器件可分別在二維平面內(nèi)或三維自由空間得到不同的聚焦場分布。設計的基于亞波長金屬狹縫結構的偏振復用器件具有小型化和易集成的特點,可應用于圓偏振光的檢測、偏振復用的信息傳遞和處理以及生物分子光譜與傳感等領域,實際應用中可根據(jù)需要選擇不同的器件,并調(diào)整器件參數(shù)。而且本文器件的設計原理可推廣到其他波段(可見光、紅外和毫米波等),只需對器件結構參數(shù)進行縮放。具體的研究工作內(nèi)容包括:搭建了太赫茲表面等離激元成像系統(tǒng),能夠實現(xiàn)快速的大面積的太赫茲表面等離激元探測。該系統(tǒng)基于點掃描太赫茲表面等離激元探測系統(tǒng)與太赫茲全息成像系統(tǒng),對探測光進行擴束,并進一步將雙眼探頭替換為CCD相機進行成像探測。而且,該系統(tǒng)可以同時測量太赫茲表面等離激元的振幅和相位,能夠有效地彌補可見光波段表面等離激元探測技術很難探測相位的不足。利用該系統(tǒng)探測水平線偏振太赫茲入射到半圓環(huán)狹縫激發(fā)的太赫茲表面等離激元,得到的振幅圖像清晰地揭示了太赫茲表面等離激元的聚焦過程,而從相位圖像則可以看出聚焦過程中的古依相移。不同頻率太赫茲表面等離激元的聚焦特性也進行了比較分析。該系統(tǒng)可以全面迅速的表征太赫茲表面等離激元器件,有助于器件的設計和加深對器件原理的理解。實驗測量了半圓環(huán)太赫茲表面等離激元透鏡的偏振復用聚焦,實驗測量結果表明,當左旋圓偏振和右旋圓偏振太赫茲入射時,激發(fā)的太赫茲表面等離激元的焦點會分別發(fā)生方向相反的橫向移動,但焦點橫向移動的距離較小,小于入射太赫茲波長。測量得到的相位分布則清晰揭示了導致焦點橫移的螺旋相位,為相關理論解釋提供了堅實的實驗基礎。而且,不同于之前基于科里奧利效應和自旋霍爾效應的研究分析,該研究從太赫茲表面等離激元的惠更斯菲涅爾原理出發(fā),結合傅里葉變換相關理論,得到了焦點偏移距離估算公式,并指出了公式的適用范圍,分析更加清晰全面。設計了基于金屬狹縫陣列的太赫茲表面等離激元透鏡,在二維平面內(nèi),左旋與右旋圓偏振太赫茲入射時,激發(fā)的太赫茲表面等離激元焦點的分離距離為入射太赫茲波長的數(shù)十倍。首先理論上分析了利用金屬狹縫陣列實現(xiàn)偏振控制太赫茲表面等離激元的激發(fā),并進行了數(shù)值模擬。模擬結果表明,左旋圓偏振太赫茲入射時,激發(fā)的太赫茲表面等離激元向左傳輸,而右旋圓偏振激發(fā)的太赫茲表面等離激元向右傳輸。進而利用模擬退火算法對狹縫陣列的排布進行了重新優(yōu)化,實現(xiàn)偏振復用聚焦。利用數(shù)值模擬和實驗測量研究設計透鏡的聚焦特性,結果表明,左旋圓偏振和右旋圓偏振太赫茲激發(fā)的太赫茲表面等離激元分別在透鏡左側和右側聚焦,焦點之間的距離為入射太赫茲波長數(shù)十倍,而線偏振太赫茲入射則在器件左右兩側得到兩個焦點。設計了基于超表面的偏振復用透鏡,實現(xiàn)了三維自由空間的偏振復用聚焦和偏振復用成像。研究了在左旋圓偏振和右旋圓偏振太赫茲入射下,單個矩形狹縫天線的輻射場的振幅和相位特性。利用空分復用原理設計矩形狹縫天線的分布,實現(xiàn)偏振復用聚焦。模擬與實驗結果表明,當左旋圓偏振太赫茲入射時得到的焦點在焦平面左側,右旋圓偏振太赫茲得到的焦點在焦平面右側,線偏振太赫茲入射則得到兩個焦點,兩焦點之間的距離數(shù)倍于入射太赫茲波長。兩焦點之間的分離距離可根據(jù)需要調(diào)整。同時,設計的透鏡還可實現(xiàn)偏振復用成像,可應用于偏振復用的信息傳遞和處理。
[Abstract]:The surface plasmon is localized on the metal / dielectric interface electromagnetic oscillation propagation, with the sub wavelength, local field and field enhancement properties in micro nano integrated optics, high sensitive sensor, super resolution imaging and lithography and improve the efficiency of solar cells and other fields has important application prospect. When light incident to sub wavelength the metal structure, will excite surface plasmon, surface plasmon tunable structure design of amplitude and phase excitation, to achieve different functions (focus, vortex, reflection and special beam etc.) the surface plasmon polarization components. As one of the basic properties of light, increasing the communication capacity, 3D display biological and molecular spectra and sensing fields have important applications. However, the response is not sensitive to the traditional photoelectric detector and the eyes of polarization, which greatly limits the optical polarization for further application of this theory. Paper with surface plasmon amplitude and phase and polarization of the incident light is closely related to the characteristics of terahertz wave in the research and design of three kinds of different polarization multiplexing devices: semi-circular terahertz surface plasmon lens, metallic slit arrays of terahertz surface plasmon polarization multiplexing ultra lens and lens based on surface linear polarization. Terahertz, terahertz polarization and right circularly polarized THz incident, different devices can be obtained from different focusing field distribution in 2D plane or 3D free space. The design of polarization multiplexing device of subwavelength metal slit structure based on miniaturization and easy integration characteristics, can be used in the detection of circular polarized light., polarization multiplexing of information transmission and information processing as well as the molecular spectrum and sensing fields, select a different device according to the need of practical application, and adjust the device parameters In this paper, the design principle and device can be popularized to other bands (visible light, infrared and millimeter wave), only need to zoom in and out of the device structure parameters. The specific work includes: build a polariton imaging system from terahertz surface, can realize the large fast product of terahertz surface plasmon detection. The system excitation detection system and THz holographic imaging system from scanning terahertz surface based on probe beam expander, and further will replace CCD camera imaging detection probe eyes. Moreover, the system can from the amplitude and phase measurement of terahertz surface plasmon at the same time, can effectively make up the visible band of surface plasmon polaritons defects detection technology very difficult to detect the phase detection. The horizontal line polarization incident to the semicircular ring slit excited terahertz using the system of terahertz surface plasmons, too The amplitude image clearly reveals the terahertz surface plasmon polaritons focusing process, and it can be seen from the phase image focusing process in Gouy phase shift. Different frequency terahertz surface plasmon polaritons focusing properties were also analyzed. The system can complete rapid characterization of terahertz surface plasmon components. Is helpful to design and deepen the understanding of the principle of the device. The device measured semi-circular terahertz surface plasmon and polarization multiplexing focusing lens, the experiment result shows that when the left circularly polarized and right circularly polarized incident terahertz, terahertz excitation of surface plasmon polaritons will focus the direction of the lateral movement occurs on the contrary, but the focus of the lateral movement distance is smaller and smaller than the wavelength of the incident THz. The phase distribution of the measured result is clearly reveals the spiral phase shifting focus, phase Provide a solid experimental basis theory explained. And, unlike previous research on the Coriolis effect and spin based on Holzer effect analysis, the study from terahertz surface plasmon polaritons Huygens Faye Nel principle of combining Fourier transform theory, the formula for estimating the focus offset distance, and points out the scope of the formula, analysis more clear and comprehensive. The design of metallic slit arrays of terahertz surface plasmon in the lens based on a two-dimensional plane, left - and right circularly polarized incident terahertz, terahertz excitation separation distance surface plasmon focus for several times. The first incident terahertz wavelength is analyzed to realize the polarization control of terahertz surface etc. from the excited element by using metallic slit arrays, and simulated. The simulation results show that the left circularly polarized THz incident excitation The terahertz surface plasmon transmission to the left, and right circularly polarized excitation of terahertz surface plasmon transmission. Then use the right configuration of the slit array is optimized and simulated annealing algorithm, realize polarization multiplexing focus. By focusing properties, numerical simulation and experimental study on measurement of lens design results show that the circularly polarized light and right circularly polarized THz excited terahertz surface plasmon respectively in the left and right focusing lens, focal distance between the incident wavelength of terahertz dozens of times, while the linear polarization incident in terahertz devices on both sides of two focus. Design of polarization multiplexing lens surface based on super, realizes the focusing and polarization multiplexing polarization multiplexing imaging 3D free space. On the left circularly polarized and right circularly polarized incident terahertz radiation field, a single rectangular slot antenna The amplitude and phase distribution characteristics. Using spatial multiplexing principle design of rectangular slot antenna, realize polarization multiplexing focus. Simulation and experimental results show that when the left circularly polarized THz incident focus on the focal plane of the left and right circularly polarized terahertz focus in the focal plane of the right line, get two THz polarization incident the focus of the two focus distance between several times in the incident terahertz wavelength. The separation distance between the two focus can be adjusted according to the requirement. At the same time, the design of the lens can realize polarization multiplexed imaging, information transmission and information processing can be used in polarization multiplexing.

【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O441.4

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