基于超表面的矢量光场和近场轨道角动量叠加研究

作     者：安兴起 

作者单位：山东建筑大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宋洪胜

授予年度：2022年

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 0702[理学-物理学] 

主      题：超表面 矢量光场 表面等离激元 轨道角动量 高阶庞加莱球光场 

摘      要：光场调控一直是光学领域的研究热点,其主要目的在于以简单、方便的方法控制光场的振幅、相位和偏振态。而传统上用于光场调控的光学元件大都具有体积庞大、结构繁杂、功能单一的缺点,已经无法适应当今集成化的发展要求。超表面是一种空间中人工排列的微纳结构,结构单元间会产生光学共振响应,激发等离激元场。通过改变结构单元的尺寸、形状和排列方式等可以灵活地在亚波长尺度上实现光场调控。因此超表面以其小型化、平板化的优势被应用于超透镜、偏振转换器件和矢量光场发生器等。矢量光场是一种空间偏振态非均匀分布的新型结构化光场,由于其特殊的偏振态分布,被广泛应用于量子信息、量子纠缠、紧聚焦以及激光加速等领域。为了对矢量光场复杂的偏振态进行描述,人们提出了高阶庞加莱球、杂化庞加莱球等表征方式。而利用超表面产生高阶庞加莱球矢量光场对于其在亚波长尺度的研究与应用具有重要意义。携带轨道角动量(OAM)的光叫做涡旋光束,由于其特殊的螺旋波前拓扑结构被广泛应用于光学微操作、显微和光通信等领域。而复合涡旋光束即OAM的叠加态则具有更多样化的光场分布。利用等离激元纳米结构在深亚波长范围内操纵OAM态叠加,可以极大地促进光通信、信息处理和高性能等离子器件的发展。本论文在现有的理论基础上,对超表面产生高阶庞加莱球矢量光场,以及纳米结构实现等离激元轨道角动量态的任意叠加进行了深入的研究。主要的研究成果和创新点如下:1.提出了一种由旋转的正交纳米缝对按照菲涅尔波带片排列而成的超表面,该超表面经圆偏振涡旋光束照射后,可以在其焦平面上得到聚焦的高阶庞加莱球矢量光场。首先从理论上推导出焦点处光场的解析表达式,然后利用仿真软件模拟调节纳米缝的初始取向角得到不同偏振方向的线偏振矢量涡旋光,实现了矢量光场在高阶庞加莱球赤道上的演化,并通过实验验证了该结果。又通过调节纳米双缝的间距,从模拟和实验上得到了2阶和3阶矢量光场在高阶庞加莱球一个经线圈上的演化。得到的模拟结果与实验结果高度吻合。我们提出的超表面结构简单、调节方便、设计巧妙,对于高阶庞加莱球矢量光场向小尺度发展具有重要意义。2.设计并制备了一种制作简单、调节灵活的纳米结构,该结构将正交的纳米双缝和分段的阿基米德螺旋线相结合,提供了六个自由度对几何相位和动态相位的同时操控,实现了基于结构本身操控OAM态的任意叠加。为了验证该方法的可行性,我们分别在模拟和实验上完成了两个OAM态的等振幅叠加和相对振幅连续变化的叠加,实现了OAM叠加态在整个布洛赫球上的演化。并对叠加态的变化特点进行了分析。此外,还得到了两个拓扑荷数绝对值不相等的OAM态的混合叠加。这项工作为近场OAM操纵开辟了新的道路,对于OAM叠加态在经典物理和量子领域的应用以及芯片集成系统的设计具有促进作用。