基于亞波長金屬結(jié)構(gòu)的波分復(fù)用和手性調(diào)制研究.pdf

1、表面等離子體光學(xué)主要研究亞波長金屬結(jié)構(gòu)的特異電磁響應(yīng)，通過調(diào)節(jié)和控制金屬與介質(zhì)界面處表面等離子體激元的激發(fā)與傳播，進(jìn)行各種新穎的光學(xué)調(diào)控功能性器件的開發(fā)與設(shè)計。此類器件具有高性能、小體積、易調(diào)控和易集成等優(yōu)點，在近年來得到廣泛的研究關(guān)注。亞波長金屬結(jié)構(gòu)與光場的耦合具有復(fù)雜的光與物質(zhì)相互作用機(jī)制，將因金屬結(jié)構(gòu)的介電常數(shù)、幾何形狀和尺寸參數(shù)以及入射光的波長和偏振態(tài)等表現(xiàn)出各異的共振響應(yīng)，但現(xiàn)有的光場和光譜調(diào)控器件仍未能充分利用亞波長金屬結(jié)構(gòu)

2、的色散性質(zhì)和手性調(diào)制性質(zhì)。手性對應(yīng)于鏡像對稱性，入射光偏振態(tài)、結(jié)構(gòu)的幾何特征和電磁共振模式等都可能具有手性。
　　本論文首先從對自由空間光場的波前調(diào)控出發(fā)研究了基于亞波長金屬結(jié)構(gòu)的波分復(fù)用和圓偏振光手性復(fù)用的一維和二維衍射光學(xué)元件，以展示色散性質(zhì)和圓偏振光手性調(diào)制性質(zhì)可有目的性地被人工操控以設(shè)計功能性器件。繼而從光譜調(diào)制出發(fā)研究了具不同手性的對稱破缺亞波長金屬結(jié)構(gòu)及其中具不同手性位移電流分布的磁共振模式在不同入射光偏振態(tài)、入射角和

3、偏轉(zhuǎn)角度下表現(xiàn)出的共振特性。主要的研究內(nèi)容概括如下：
　　基于亞波長金屬－介質(zhì)－金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的可見光波段波分復(fù)用一維聚焦器件。使用不同寬度波導(dǎo)結(jié)構(gòu)波前調(diào)制的色散性質(zhì)，利用模擬退火算法設(shè)計實現(xiàn)了在自由傳播空間中將不同波長的入射光聚焦到指定觀測平面不同位置的分波長聚焦器件，通過全波數(shù)值模擬驗證了設(shè)計結(jié)果。該器件避免了復(fù)雜的諧振腔結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)波分功能，為光路由等器件提供了一種潛在的設(shè)計方案。
　　基于C形亞波長金屬天線的太赫茲波段波

4、分復(fù)用和圓偏振光手性復(fù)用計算全息二維顯示器件。優(yōu)化改進(jìn)了模擬退火算法，使用具不同半徑大小和開口角度的C形金屬天線波前調(diào)制單元，設(shè)計實現(xiàn)了在同一觀測面上依照入射光的不同波長而顯示出不同字符圖案的波分復(fù)用全息編碼器件；利用相同半徑和開口角度但不同旋轉(zhuǎn)方向的C形亞波長金屬天線波前調(diào)制單元，設(shè)計實現(xiàn)了在同一觀測面依入射圓偏振光手性不同而再現(xiàn)出不同字符圖案的手性復(fù)用全息編碼器件。通過樣品制作和實驗表征驗證了設(shè)計結(jié)果。此類復(fù)用型器件充分利用了每個金

5、屬天線的波前調(diào)制特性，為進(jìn)一步推廣到可見光波段基于紅綠藍(lán)三原色復(fù)用設(shè)計高效的彩色顯示微器件和基于空間光場強(qiáng)度探測的圓偏振光手性鑒別器件開發(fā)提供了理論基礎(chǔ)和設(shè)計方法。
　　具不同對稱破缺手性的平面金屬納米顆粒四聚體結(jié)構(gòu)中可見光波段磁共振模式的增強(qiáng)和圓二色向性?；跍?zhǔn)靜態(tài)矢勢多極模式展開方法和耦合模式理論，研究了利用對稱破缺的手性對磁共振模式進(jìn)行增強(qiáng)的機(jī)制，并據(jù)此提出和分析了具不同對稱破缺手性的四聚體結(jié)構(gòu)在圓偏振光入射下的圓二色向性。

6、該結(jié)果揭示了可利用結(jié)構(gòu)對稱破缺的手性進(jìn)行基于光譜調(diào)制的光學(xué)活性、光學(xué)磁性材料的研究。
　　對稱破缺亞波長平板金屬開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)中具不同手性位移電流分布的磁共振模式在太赫茲波段的激發(fā)與調(diào)制。研究了由對稱破缺的緊鄰金屬圓弧組成的周期陣列中磁共振模式在不同偏轉(zhuǎn)角度的線偏振光激勵下環(huán)狀位移電流表現(xiàn)出的不同手性，并使之與電共振模式耦合得到了同時具有高Q值和高品質(zhì)因子的Fano共振峰位。該超材料器件為太赫茲生物薄膜傳感器、非線性效應(yīng)等領(lǐng)域的研

7、究提供了一種兼具高Q值和高品質(zhì)因子的設(shè)計實現(xiàn)。
　　綜上，在本論文中使用解析公式、數(shù)值計算模擬以及樣品制作與實驗表征等方法，實現(xiàn)了波分復(fù)用和圓偏振光手性復(fù)用的光場調(diào)控器件，驗證了波前調(diào)制單元的數(shù)值建模、光場衍射傳播計算、優(yōu)化算法改進(jìn)、樣品制作工藝和成像系統(tǒng)實驗測量等各環(huán)節(jié)的可靠性。此外結(jié)合理論和實驗方法從光譜的角度分析了具不同對稱破缺手性的亞波長金屬結(jié)構(gòu)中在不同線偏振方向、入射角和圓偏振光手性照射光激勵下磁共振模式的產(chǎn)生與調(diào)制，并