基于超表面的光學(xué)波片和表面等離激元耦合器的設(shè)計(jì).pdf

1、基于控制光波波前的超表面研究近來(lái)受到了廣泛的關(guān)注并得到了長(zhǎng)足發(fā)展。相對(duì)于傳統(tǒng)光學(xué)元件，超表面具有以下優(yōu)點(diǎn):第一，可以在亞波長(zhǎng)厚度內(nèi)控制波前;第二，可以將能量全部集中到所需的單個(gè)衍射級(jí);第三，可以獨(dú)立控制光波的磁場(chǎng)分量，使其與真空阻抗匹配，實(shí)現(xiàn)無(wú)反射、高效率的光學(xué)器件;第四，易于同增益介質(zhì)、非線性材料和電學(xué)器件集成。
　　超表面的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)源于推廣的惠更斯原理（表面等效原理），其主要理念是利用納米共振結(jié)構(gòu)構(gòu)建“惠更斯點(diǎn)光源”。通過(guò)調(diào)節(jié)

2、共振強(qiáng)度和共振引入的突變相位（散射光與入射光的相位差），實(shí)現(xiàn)對(duì)波片上任一點(diǎn)光源振幅和相位的調(diào)節(jié)，從而控制光的傳播、偏振、光束形狀等性質(zhì)。
　　由于貴金屬和高折射率介電介質(zhì)的納米結(jié)構(gòu)支持光學(xué)波段的共振，可以產(chǎn)生強(qiáng)烈的光散射、吸收和局域場(chǎng)增強(qiáng)，所以在納米光子學(xué)、超材料、光電器件、光譜學(xué)、光學(xué)傳感器等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在本博士論文中，基于貴金屬納米結(jié)構(gòu)的局域等離激元共振和高折射率介電介質(zhì)的納米結(jié)構(gòu)的米共振，開(kāi)展了可見(jiàn)和近紅外波段的高效

3、率半波片和1/4波片、單向的表面等離激元耦合器的設(shè)計(jì)和研究，主要內(nèi)容如下。
　　在第一章中，主要介紹了局域等離激元和表面等離激元的基本性質(zhì);分析了貴金屬納米結(jié)構(gòu)的光散射特性，包括散射強(qiáng)度、散射光角度分布及散射過(guò)程中引入的突變相位等;簡(jiǎn)要介紹了超表面的設(shè)計(jì)理念和最新進(jìn)展;最后，我們介紹了基于時(shí)域有限差分法的數(shù)值模擬及若干模擬中需要考慮的問(wèn)題。
　　在第二章中，基于金屬納米陣列/間隔層/金屬薄膜結(jié)構(gòu)，我們?cè)O(shè)計(jì)了可見(jiàn)光波段的反射式

4、半波片。我們發(fā)現(xiàn)，通過(guò)合理地設(shè)計(jì)和調(diào)控結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以使得波片的工作波段覆蓋整個(gè)可見(jiàn)光波段。我們還發(fā)現(xiàn)超晶胞設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步提升半波片的工作帶寬，并提出平均響應(yīng)理論解釋此現(xiàn)象。超晶胞設(shè)計(jì)可以用于拓寬其它光學(xué)器件的工作波段。
　　在第三章中，基于推廣的惠更斯原理（表面等效原理），我們?cè)O(shè)計(jì)了由單層Si納米線陣列構(gòu)成的高效率透過(guò)式1/4波片。我們分析了亞波長(zhǎng)的Si納米線所支持的電偶極和磁偶極共振模式，并分析了這兩種共振模式在高透過(guò)率的超表面

5、中所起的作用。利用共振過(guò)程中引入的突變相位及其對(duì)不同偏振入射光的依賴特性，我們?cè)O(shè)計(jì)了工作在通信波段的高效率的1/4波片。
　　在第四章中，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于直立L型天線陣列的SPP耦合器。在圓偏振光的照射下，該耦合器可以激發(fā)單向傳播的SPP，并且借助入射光的偏振（左旋、右旋圓偏振光或線偏振光）可以調(diào)控SPP的傳播方向。我們介紹了近場(chǎng)耦合法激發(fā)SPP的基本原理以及若干實(shí)現(xiàn)單向SPP激發(fā)的方法，并著重介紹了圓偏振偶極激發(fā)單向SPP的原理，