基于光机腔的中红外电可调焦反射式超表面透镜

作     者：陈逸堃 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：易飞

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：超表面 超透镜 变焦透镜 动态调控 MEMS 

摘      要：超表面是由亚波长尺度的光学天线组成的阵列形成的人造光学材料,这些光学天线关于光的振幅、相位、偏振等的响应可以进行特异化设计,从而实现超薄平面透镜。早期关于超表面透镜的研究大多都是静态超表面。但是在光学成像、光学调控等领域,常常要求透镜的焦距能在一定范围内调控。近几年,许多学者利用不同方法实现变焦超表面,但是它们存在响应速度低、驱动元件庞大、偏振依赖、制作工艺复杂等各种问题。此外,它们的工作波段大多在可见光、近红外以及太赫兹波段,忽略了具有气体探测、热成像等重要应用的中红外波段。针对以上问题,本论文研究了一种基于光机腔的中红外电可调反射式变焦超表面透镜并讨论了两种变焦模式。首先介绍了超透镜和静电式微机电系统(MEMS)的原理;紧接着介绍变焦超透镜的设计方案及原理。之后,利用FDTD Solutions软件仿真超透镜单元的相位和反射率特性;利用COMSOL Multiphysics软件仿真腔体反射板曲率随电压的变化特性;接着将腔体曲率数据导入FDTD Solutions并联合超透镜进行变焦效果仿真。结果表面初始焦距为80.35μm时,模式一最大变化20.3μm,模式二最大变化7.25μm。然后,对两种变焦模式器件的色散特性和角度特性进行了研究。结果表明该器件对波长不敏感,在其他波长下也可以实现变焦功能;器件在15°斜入射下可以正常工作,在30°斜入射下工作模式被破坏,器件性能显著下降。最后,提出了一种利用所研究的器件实现中红外量子级联激光器到中红外光纤的动态耦合的应用场景。结果表明耦合效率最大动态范围为9%～38%。本论文提出了一种实用的将机械结构变化联合光学结构一起引入仿真的研究方法,探索了机械结构曲率变化对光场的影响;拓展了变焦超透镜的工作波长,填补了变焦超透镜在中红外研究领域的空白;拓展了变焦超透镜的实际应用范围。