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基于二氧化钛全介质超透镜组的成像研究

基于二氧化钛全介质超透镜组的成像研究

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作者：余烈国哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

基于米氏散射机制的全介质超材料不存在欧姆损耗,其在可见光波段的效率可达到90%以上。在可见光波段,二氧化钛由于其折射率实部n大,虚部k小,几乎为零,与光波耦合作用强,可轻易达到2π相位延迟,实现对光波波前的完全调控,并且保持高效率... 详细信息

基于米氏散射机制的全介质超材料不存在欧姆损耗,其在可见光波段的效率可达到90%以上。在可见光波段,二氧化钛由于其折射率实部n大,虚部k小,几乎为零,与光波耦合作用强,可轻易达到2π相位延迟,实现对光波波前的完全调控,并且保持高效率,理论上可达100%,因此二氧化钛超表面拥有非常广泛使用价值。超透镜是超表面的一种应用形式,其工作机制与传统透镜不同,其相位是瞬变的,通过天线排布,得到满足需要的相位分布。本文采用二氧化钛全介质材料,制备两种不同的超透镜,工作波长为532 nm,组合成超透镜组,通过调整透镜之间的距离和入射光的性质,可以实现手机镜头、显微镜和伽利略望远镜三种功能。为了对光波波前实现完全调控,必须满足相位0-2π的完全覆盖,同时为了消除第一个超透镜(物镜)成像对第二个超透镜(目镜)成像的影响,本文应用两种基本结构:纳米圆柱和纳米方块。通过对基础理论的理解与研究,采用二氧化硅基底+二氧化钛天线作为基本单元,利用麦克斯方程求解软件进行仿真,设置合适的光学参数和几何参数,例如折射率,周期,厚度,纳米圆柱的厚度,纳米方块的长度等,得到透射率均高90%,相位覆盖2π的基本结构。根据超透镜相位分布公式,确定基本单元相对应的坐标,进行相对应排布。由于天线的尺寸在亚波长级别,处于纳米级,其精度要求非常高,因此采用半导体制备工艺制备两种二氧化钛超透镜。本文利用半导体制备工艺,如电子束溅射镀膜、电子束曝光(EBL)、反应离子刻蚀等,严格控制基本单元几何参数,力求与仿真设计值误差在10 nm内。利用搭建好的测量光路,对超透镜进行光学表征,物镜在设计波长λ=520 nm,聚焦效率达到70%,NA=0.258,半峰宽=1040 nm,斯特列尔比率在x和y方向分别为0.91和0.89。目镜在设计波长聚焦效率为60%,NA=0.66,半峰宽=0.39 nm,斯特列尔比率在x和y方向分别为0.827,0.829。本文对物镜和目镜进行组合,通过调节透镜的距离和入射光的性质,实现了手机镜头、显微镜和伽利略望远镜三种功能转换。利用微纳米制备技术,制备了哈尔滨工业大学英文简称HIT的微纳米分辨板,利用超透镜组对HIT板进行相应的放大、缩小或者远距离成像。物镜和目镜组合成透镜组作为手机镜头时,可实现对HIT板11.74倍的缩小;作为显微镜时,可实现对HIT板20.58倍的放大,并且分辨能力为1.07μm;当工作波长为λ=445 nm,可实现14倍的放大;当工作波长为λ=632 nm,可实现19倍的放大;作为伽利略望远镜实现观测功能时,可对距离为11m处的LED光源直接成像。

关键词：超透镜二氧化钛天线手机镜头显微镜伽利略望远镜

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基于二氧化钛介质材料的超表面的设计与研究

基于二氧化钛介质材料的超表面的设计与研究

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作者：周振星哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

自超材料被提出到实现各式应用的数十年间,不断有新的研究成果展现了超材料的独特物理特性,也催发着在人造电磁材料领域的探索热情。但是,在科技发展日新月异的今天,器件小型化、平面化的要求不断提高,只有继承了超材料独特物理性能的... 详细信息

自超材料被提出到实现各式应用的数十年间,不断有新的研究成果展现了超材料的独特物理特性,也催发着在人造电磁材料领域的探索热情。但是,在科技发展日新月异的今天,器件小型化、平面化的要求不断提高,只有继承了超材料独特物理性能的超表面才能擎起大梁。同时,由于金属材料难以避免的欧姆损耗限制了其在超表面电磁器件上的应用,依据米氏散射理论工作的全电介质材料超表面受到了愈发的关注。在诸多电介质材料中,二氧化钛凭借其在可见光波段优异的光学性能熠熠闪光,使得实现少有研究的可见光波段超表面器件成为可能。本文以此为背景,设计了一种基于二氧化钛介质天线的超表面,利用这种超表面样品证实了光波全调控的功能,并最终实现了二氧化钛超表面在平面聚焦与全息投影方面的器件应用。针对于如何实现可见光波段的电磁调控问题,本文提出了利用二氧化钛天线作为超表面结构单元的思路。作为超表面的最小组成单元,二氧化钛天线是实现光波波前全调控的重要媒介,通过对二氧化钛天线进行研究,设计出具有特定功能的超表面。通过对基础理论的推导与研究,本文建立了二氧化钛结构单元模型,在确定了模型中关键的几何参数与光学参数的前提下,研究了二氧化钛天线的尺寸变化对波前调控的影响规律。根据所建立的二氧化钛结构单元模型推导出的天线尺寸对波前调控的规律,是后期设计具有特定功能超表面的重要基础。超表面可以实现诸多方面的应用,最基础的如异常反射与异常折射现象的实现。在得到二氧化钛天线与反射光相位、振幅与偏振对应关系之后,意图验证由二氧化钛作最小结构单元制成的超表面具有光调控的能力,最简便的方法便是设计二氧化钛异常反射超表面。本文设计了基于二氧化钛的异常反射超表面,并利用电子束蒸发镀膜与电子束曝光工艺制备了超表面样品,通过所搭建的光路系统观测到了异常反射现象,计算得到超表面样品异常反射效率达到了49.17%。与前人的工作相比,本文不仅从仿真模拟上验证了超表面异常反射的实现,更利用简便可行的微纳加工手段制备了超表面样品,从实验上验证了二氧化钛超表面的异常反射功能,且达到了较高的转换效率。异常反射现象的实现进一步证实了二氧化钛天线的相位调控能力,基于此可以设计出更多有趣的结构,实现更多复杂的现象与功能。本文依据聚焦镜镜面相位分布公式设计了具有聚焦功能的超表面,并从实验上验证了平面聚焦超表面的光束聚焦能力。本文设计了具有全息投影功能的超表面,利用超表面实现了对哈尔滨工业大学英文简称及校徽的全息投影,并将超表面的工作波段由设计值632 nm红光拓宽到了520 nm绿光以及445 nm的蓝光,计算得到的红光下全息投影转换效率达到了36.7%。

关键词：超表面二氧化钛天线光调控异常反射全息投影

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