面向微光环境导航应用的等离子体透镜设计

作     者：王忠旭 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：关乐

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：聚焦 偏振视觉 偏振器 纳米金属光栅 时域有限差分方法 

摘      要：偏振光导航属于自主导航,误差不随时间积累,抗电磁干扰能力强,可以用来弥补现有的应用广泛的各种导航技术的弊端,通过与现有导航技术组合提高导航系统的整体性能,以适应更复杂,更多样的导航要求。在此背景下,基于偏振光的导航原理及应用得到了广泛的研究,现有的偏振光导航方法可以为载体提供准确、稳定的导航信息,但其应用场景目前还限制在晴朗的白天等非微光环境,能否解决现有的相对成熟的偏振光导航系统无法在微光环境下应用的问题,实现偏振光导航的全天候应用,很大程度上决定了这种新型导航技术的未来。本文将在已进行过实验验证的偏振光导航系统的基础上,针对导航系统中的关键器件——偏振光导航传感器,设计一种能够兼容传感器偏振敏感功能的聚焦器件,以实现导航系统未来在微光环境下的应用。首先,本文对聚焦光学器件的发展历程进行了系统的阐述,指出了第一代传统光学器件和第二代二元光学器件无法满足导航传感器在微光环境下应用的各项要求,并结合二元光学器件的原理,为偏振光导航传感器设计了相应的微透镜阵列,通过实验验证了微透镜阵列无法满足需求。同时,本文分析了第三代平面纳米金属透镜可以作为拓展偏振光传感器在微光环境下应用的光学器件的可行性和优势,并对其原理和各项参数进行了系统的阐述和分析。其次,本文根据平面纳米金属透镜的相位调控原理,结合偏振光传感器的核心部件——亚波长纳米金属光栅,设计了能够与传感器兼容的纳米金属光栅偏振聚光器,并对结构关键参数:狭缝宽度和金属层高度进行了系统的参数设计,并采用时域有限差分(FDTD)方法,对聚光器的结构参数进行了数值模拟,通过对聚光器光场分布的优化分析,给出了各参数对焦点位置和聚焦效果的影响规律,同时求解了结构的TM光的透射率,计算了结构的消光比。最后,对一系列结构的数值模拟结果进行了系统的分析,最优结构的焦点位置位于偏振聚光器光出口2798nm,光强值提高到了16倍。在450nm的偏振光导航器敏感波段其透射率约为63%。本文提出的新型纳米金属光栅偏振聚光器,兼容了原有相对成熟的导航传感器的偏振敏感功能,同时实现了对微光的聚焦功能,为未来微纳偏振导航器件的光学设计与集成制造提供了有效的参考。