应用于涡旋电磁波调控及成像的超构表面结构设计

作     者：成楷湘 

作者单位：江南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王继成

授予年度：2023年

学科分类：0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：超构表面 涡旋电磁波 轨道角动量 光学超振荡 光场调控 

摘      要：超构表面是由一系列亚波长人工结构阵列组成的二维超薄平面结构。相对于三维超构材料,具有二维单层结构的超构表面加工难度明显降低,并且可以利用现有的集成电路制造工艺进行加工。与此同时,和超构材料相比,超构表面的吸收损耗会小很多。另外,得益于体积上的优势,超构表面可以很容易实现集成化,与现有的电磁学或光学系统兼容。涡旋电磁波是一种具有轴向相位奇异性的特殊电磁波,其具有的螺旋形波前能够产生轨道角动量。由于超构表面近年来的研究展示出其相当好的波前调控能力,人们近年来开始尝试利用超构表面进行涡旋电磁波产生和应用。目前,利用超构表面产生涡旋电磁波已经取得了一定了成果,人们利用超构表面在微波、太赫兹以及光学波段均已经生成了涡旋电磁波,但是这些方法仍存在诸如效率较低、设计方法较复杂的缺陷。本论文的主要工作是利用金属开口矩形环单元、二氧化钛介质柱单元以及硅介质柱单元,实现了太赫兹、微波以及光学波段涡旋电磁波的高效调控,并且利用超构表面探讨了一些成像相关的应用。本论文的主要研究内容及创新点如下:1.设计了一种金属开口矩形环单元构成的超构表面,通过改变单元结构的尺寸,可以使其工作在太赫兹或者微波波段。首先对单元结构相位调控的原理进行了分析。这种单元由金属开口矩形环天线和金属线光栅或金属接地面构成,其具有的准法布里-珀罗腔模式可以有效提高交叉极化反射波的比例。本文分别计算了太赫兹超构表面和微波超构表面的近场聚焦涡旋特性,计算了不同拓扑荷的涡旋波产生情况,利用模式分解,验证了设计的超构表面可以产生高纯度的涡旋波模式,最高的模式纯度可以达到90%。为了验证这项设计的实际性能,本文还对设计的微波超构表面进行了远场仿真和实验测试,结果和数值仿真较为接近,同时实验结果还表明设计的超构表面在一定的频率范围内均具有稳定的表现。2.在可见光波段,利用全介质二氧化钛超构表面提出了一种紧凑的光学超振荡的超分辨成像系统。首先,本文展示了超构表面的单元特征,基于琼斯矩阵,从理论上分析了的单元的功能,利用FDTD仿真分析了单元的相移特性。然后利用设计出的单元结构来排列整个超构表面。超构表面阵列的设计基于径向偏振拉盖尔-高斯光束电场的偏振矢量分布。本文对超构表面阵列进行了仿真计算,展示了超构表面输出的光强,并与理论结果进行了比较。仿真结果与理论结果吻合较好。接下来,本文分析了使用聚焦的径向偏振拉盖尔-高斯光束作为激励的超振荡热点的产生。通过改变尺寸参数,成功生成了超振荡热点。最后,本文模拟了使用设计的超构表面的共聚焦成像系统的点扩散函数分布,以及随机点物体和条形物体的成像特性。使用去卷积等后处理方法,理论上可以实现接近2倍的横向分辨率。3.基于全介质硅超构表面,实现了近红外波段整数及分数阶完美涡旋光束的高效产生。本文首先通过数值仿真设计了具有半波片特性的纳米柱,然后结合几何相位来设计高性能的纯相位超构表面,该超构表面在近红外范围内具有宽带和高偏振转换效率的特性。本文设计了不同的超构表面用于生成具有不同拓扑荷和入射波长的完美涡旋光束,以及具有不同拓扑荷的椭圆完美涡旋光束。此外,本文还设计了用于生成椭圆分数阶完美涡旋光束的超构表面,并研究了螺旋相位分布对强度分布的影响。超构表面的生成效率最高可以达到80%,并在相对较宽的波长范围(780-880nm)内保持在50%以上。4.提出了一种用于生成准环形艾里涡旋光束的全介质超构表面。这种超构表面基于几何相位,可以工作在近红外波段。本文设计了超构表面的单元结构,利用参数扫描选择出最合适的单元结构几何参数。然后利用设计好的单元结构,根据准环形艾里涡旋光束的相位分布,利用相位叠加对超构表面进行了排布,本文设计了若干个超构表面,讨论了拓扑荷和其他参数对生成的准环形艾里涡旋光束的影响,验证了超构表面产生的自聚焦光束焦距的可控性。计算了产生的准环形艾里涡旋光束在其聚焦位置处的模式纯度,计算得到的模式纯度最高可达90%。此外,本文还仿真了超构表面产生的准环形艾里涡旋光束与完美涡旋光束在有障碍物情况下的传播,验证了准环形艾里涡旋光束所具有的自愈特性。