基于电介质超表面的聚焦和解复用器件研究

作     者：陈钦杪 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：韩艳华

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：超表面 P-B相位 超透镜 OAM解复用器 

摘      要：超表面（Metasurfaces）是一种由亚波长基本单元组成的二维结构的人工超构材料,通过改变基本单元的结构以及排布方式在亚波长尺度范围内就能实现对局部光场性质的调控,这个卓越的优点,使基于超表面的光学元件能够具有超薄的特点,并促进设备小型化以及系统的集成化。超表面超轻、超薄、易于集成的优点,加之微纳制造工艺的不断进步,使超表面在编码,成像,光通信,量子科学以及基础物理等领域有着独特的魅力。本论文基于P-B（Pancharatnam-Berry）相位调制原理设计了电介质超表面,研究其在聚焦和解复用光学器件中的应用。论文的主要研究内容包含:提出高数值孔径的超透镜,实现了与入射光偏振态无关的衍射极限聚焦和线偏振光入射的多焦点衍射极限聚焦。所提出的高数值孔径超透镜工作于可见光波段,并采用Zn S纳米鳍结合二氧化硅基底的结构作为构成超表面的基本单元。其中,多焦点超透镜是通过将超表面分为多个不同的区域并使其分别工作于不同的偏振态,当线偏振光入射时将产生多个焦点,并实现了衍射极限聚焦。偏振无关超透镜是基于混合排布的方式,左旋圆偏振光、右旋圆偏振光和线偏振光分别入射,都能实现衍射极限聚焦;同时,解决了P-B相位超透镜受限于入射光偏振态的问题。提出焦距可调的偏振复用型超透镜,可以通过改变入射光的偏振态控制透镜焦点的分布。由于在P-B相位超表面中,存在受限于入射光偏振态的问题。利用光波相位叠加的方法,可以成功解决P-B相位超表面中左右旋圆偏振态对应的相位不能独立调制的问题。结合两种分别工作于不同波段的基本单元,设计出了分别工作于可见光和近红外波段的焦距可调的偏振复用型多焦点超透镜,其左旋圆偏振光和右旋圆偏振光对应的焦距独立可调,同时实现了衍射极限聚焦。提出基于波长和偏振复用的涡旋光解复用器,实现无损伤解复用的同时可对变化的拓扑荷数的涡旋光完成解复用。所提出的涡旋光解复用器采用非晶硅材料的纳米鳍结构,并基于偏振复用型及波长复用型超表面。能够对波分复用和偏分复用且工作于近红外波段的OAM通信实现解复用,对不同拓扑荷数的涡旋光实现了解复用并保留了复用涡旋光原始的光场性质,即实现了无损伤解复用,这大大增加了涡旋光解复用器的应用范围。