發(fā)布時(shí)間：2018-01-15 07:20

  本文關(guān)鍵詞：變換光學(xué)芯片上中心引力場(chǎng)彎曲時(shí)空的模擬與光束調(diào)控　出處：《南京大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：信息技術(shù)對(duì)人類的生活產(chǎn)生了深刻的影響。眾所周知信息的載體主要是電子和光子,從人類發(fā)明第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī),電子集成技術(shù)取得了巨大的成功,筆記本電腦和手機(jī)在今天成為日常生活的必需品。而未來信息技術(shù)的發(fā)展需要速度更快、信道更寬的集成芯片,而光子就是世界上最快的信息載體,因此光子集成芯片對(duì)未來信息技術(shù)的發(fā)展具有重要的應(yīng)用價(jià)值。但是,相比電子集成技術(shù)而言,光子集成技術(shù)卻要相對(duì)落后很多。主要是因?yàn)楣庾拥牟ㄩL(zhǎng)比電子要大很多,光子器件的集成化比電子器件的集成化要難很多,物理上需要解決很多問題。根據(jù)波動(dòng)光學(xué)的惠更斯原理,光在空間中的傳播可以通過電磁波的波前運(yùn)動(dòng)來描述。如果我們能夠在微小尺度下控制光子的波前,就能在芯片上控制光子的運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)各種光子集成器件。為此,科學(xué)家提出了各種不同的結(jié)構(gòu)體系來實(shí)現(xiàn)光子集成芯片,例如：光子晶體、金屬表面等離激元、超構(gòu)材料等等。另一方面,愛因斯坦的廣義相對(duì)論對(duì)于人類認(rèn)識(shí)宇宙起源和天體的運(yùn)動(dòng)取得了巨大的成功。根據(jù)這個(gè)理論,光子在引力場(chǎng)中沿著曲線傳播,可以看作是在彎曲時(shí)空中的測(cè)地線運(yùn)動(dòng)。因此,如果我們能夠控制時(shí)空的彎曲結(jié)構(gòu),就能夠控制光子的傳播。但是控制宇宙時(shí)空的彎曲遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了目前人類科學(xué)技術(shù)的發(fā)展水平。后來,理論學(xué)家發(fā)現(xiàn)光在不均勻材料中的傳播與光在彎曲時(shí)空中的傳播之間有很好的等價(jià)性。因此,有人提出,雖然人們不能在宇宙中控制時(shí)空的彎曲,但是人們可以用不均勻材料來模擬引力場(chǎng)的彎曲時(shí)空。最近,隨著微納光子學(xué)的發(fā)展,人們提出了變換光學(xué)方法,其基本思想就是從材料電磁本構(gòu)方程出發(fā),利用材料的電磁參數(shù)與時(shí)空度規(guī)的等價(jià)性,在超構(gòu)材料中控制折射率的不均勻分布來模擬彎曲時(shí)空,在微小的光學(xué)芯片上“以小見大”,從而在實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境里模擬廣義相對(duì)論所預(yù)言的現(xiàn)象,尤其是由于目前天文觀測(cè)手段的限制而無法直接觀察到的現(xiàn)象,這在物理上具有很重要的科學(xué)意義。同時(shí),人們可以將這種變換光學(xué)的方法應(yīng)用到光子集成芯片的設(shè)計(jì)上,調(diào)控光子在光子集成芯片上的傳播,為下一代速度更快、信道更寬的集成芯片提供新的技術(shù)途徑。雖然變換光學(xué)的理論方法非常簡(jiǎn)潔漂亮,給了人們很大的想象空間來設(shè)計(jì)各種器件,但在實(shí)際材料中實(shí)現(xiàn)起來,卻是非常困難。傳統(tǒng)的變換光學(xué)材料是通過金屬共振單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)的連續(xù)改變來控制空間折射率的分布,這種技術(shù)對(duì)波長(zhǎng)較長(zhǎng)的電磁波是很容易實(shí)現(xiàn)的,而對(duì)于短波長(zhǎng)電磁波是非常難的事情。特別是在光學(xué)波段,要在非常小的納米尺寸范圍內(nèi),連續(xù)地改變折射率的分布,在技術(shù)上面臨很大的挑戰(zhàn)。另外,用金屬制備的變換光學(xué)材料,對(duì)高頻電磁波具有嚴(yán)重的損耗,這也大大限制了其在光學(xué)波段的應(yīng)用。因此,變換光學(xué)的實(shí)驗(yàn)主要還是在微波范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn),而可見光波段的變換光學(xué)研究,大多數(shù)還是局限在理論設(shè)計(jì)層面。為了在可見光波段變換光學(xué)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)方面取得突破,我博士期間嘗試了多種制備工藝,最后終于找到了一種非常有效的方法來實(shí)現(xiàn)可見光波段變換光學(xué)器件。實(shí)驗(yàn)中,我沒有采用傳統(tǒng)的金屬共振結(jié)構(gòu),而是在課題組原來研究的基礎(chǔ)上,采用平板波導(dǎo)來制作變換光學(xué)器件。對(duì)于平板介質(zhì)波導(dǎo)來說,波導(dǎo)模的等效折射率是隨著波導(dǎo)的厚度變化而連續(xù)改變的。實(shí)驗(yàn)中,我通過光刻膠的旋涂工藝制作厚度變化的聚合物波導(dǎo),以此來控制等效折射率分布。通過這種技術(shù),我們?cè)谝粔K微小的光子芯片上,實(shí)現(xiàn)了等效折射率具有類似中心引力場(chǎng)分布的各種變換光學(xué)波導(dǎo),模擬了幾種廣義相對(duì)論的現(xiàn)象,并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了幾類具有光波前控制功能的集成光子芯片。另外,傳統(tǒng)的變換光學(xué)測(cè)量是通過近場(chǎng)探針掃描技術(shù),這種技術(shù)對(duì)于長(zhǎng)波長(zhǎng)電磁波有很好的探測(cè)效果,但對(duì)于短波長(zhǎng)電磁波,特別是可見光信號(hào),很難達(dá)到高分辨探測(cè)成像的效果。為此,在課題組技術(shù)積累的基礎(chǔ)上,采用了一種量子點(diǎn)熒光探針顯微成像技術(shù),將這種技術(shù)用于變換光學(xué)的測(cè)量,成功地表征了各種彎曲時(shí)空中光子的傳播過程。論文主要分為以下幾個(gè)部分：1、研究在變換光學(xué)波導(dǎo)中,控制波導(dǎo)的厚度,來控制等效折射率的分布,實(shí)現(xiàn)模擬黑洞周圍的中心引力場(chǎng)的分布。在實(shí)驗(yàn)上觀察到由于黑洞的強(qiáng)引力透鏡效應(yīng)引起的光束偏折、光子捕獲,以及光子在“黑洞”視界附近的傳播行為。2、研究在變換光學(xué)波導(dǎo)的中,將彎曲空間的概念進(jìn)一步拓展到對(duì)在波導(dǎo)中傳播光束的波前調(diào)控,在實(shí)驗(yàn)上通過模擬愛因斯坦環(huán)來控制光束的聚焦,利用引力場(chǎng)的潮汐力實(shí)現(xiàn)非衍射的準(zhǔn)直光束,同時(shí)提出了在引力場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)任意加速光束的理論模型。3、研究變換光學(xué)波導(dǎo)中光束的動(dòng)態(tài)調(diào)控效應(yīng),利用在外界控制激光場(chǎng)下的聚合物本身的光熱效應(yīng),在變換光學(xué)波導(dǎo)中產(chǎn)生非均勻等效折射率分布的中心勢(shì)場(chǎng)。通過改變控制激光,動(dòng)態(tài)地控制在介質(zhì)波導(dǎo)中光束的傳播,從而實(shí)現(xiàn)了一種動(dòng)態(tài)可調(diào)的變換光學(xué)器件。4、研究變換光學(xué)表面等離激元的納米聚焦,利用金屬微球嵌在金屬／介質(zhì)／金屬的三明治的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)中模擬了SPPs的黑洞,實(shí)現(xiàn)黑洞引力場(chǎng)的奇異點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了對(duì)SPPs的捕獲與聚焦。我們同時(shí)利用數(shù)值模擬方法,研究在該體系中微球的尺寸以及不同的激發(fā)波長(zhǎng)對(duì)SPPs的光場(chǎng)捕獲的影響。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O412.1

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本文編號(hào)：1427345