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基于双曲色散超材料的艾里光束产生器件研究

基于双曲色散超材料的艾里光束产生器件研究

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作者：李会会华中科技大学

学位级别：硕士

艾里光束因其独特的光学性质,如无衍射、自弯曲加速和自愈合等特性,而具有许多重要潜在应用。传统的产生艾里光束的方法是利用空间光调制器和傅里叶变换透镜等,然而,这往往使得器件复杂而庞大,不利于高密度的光学器件集成。超材料通过... 详细信息

艾里光束因其独特的光学性质,如无衍射、自弯曲加速和自愈合等特性,而具有许多重要潜在应用。传统的产生艾里光束的方法是利用空间光调制器和傅里叶变换透镜等,然而,这往往使得器件复杂而庞大,不利于高密度的光学器件集成。超材料通过调节反射/透射电磁波的振幅和相位,提供了一种前所未有的方法来产生艾里光束。本文中,我们提出利用双曲色散超材料的宽带双折射效应来产生宽带的线偏光艾里光束,以及利用双曲色散超材料通过传输相位和Pancharatnam-Berry相位相结合来产生圆偏光的艾里光束。实验测量结果与仿真结果符合很好,艾里光束的无衍射和自弯曲特性也都得到了验证。本文主要研究工作包括:(1)我们利用金属-电介质交替多层构成的双曲色散超材料(HMM)在宽频范围内实现了线偏光艾里光束的产生并进行了实验验证。长方形横截面的HMM波导阵列在宽带光谱范围内存在模式双折射率,使得透射电场正交分量的归一化振幅分布和相位分布在宽带光谱范围内保持不变。于是,当将不同旋转角度的HMM结构单元按初始的艾里函数振幅和相位分布排列后,在不同的入射波长下,归一化振幅分布和相位分布仍能满足初始的艾里函数分布。我们设计出了微波波段和近红外波段的艾里光束产生器,仿真结果表明它们的透射效率高于10%的光谱范围分别是7.2.6 GHz和1.25.4μm。我们在微波波段进行了实验验证,发现在7.2.6 GHz的频率范围内,艾里光束都能很好地产生,无衍射和自弯曲的测量结果也与仿真结果一致。此外,我们对近红外波段的艾里光束产生器进行了误差分析,结果表明HMM艾里光束产生器对实验制备误差有较大的容忍度。(2)我们利用HMM波导阵列实现了圆偏光艾里光束的产生并进行了实验验证。HMM波导阵列的模式双折射率会随横截面参数的变化而变化。因此,改变HMM结构单元的横截面参数可得到不同的透射振幅。根据Pancharatnam-Berry(PB)相位原理,HMM结构单元的旋转角度改变时,透射相位会发生变化。于是,将不同横截面参数和不同旋转角度的HMM结构单元按初始的艾里函数振幅和相位分布排列后,我们设计出了微波波段和近红外波段的圆偏光艾里光束产生器,它们分别表现出33.2%和32.5%的较高透射效率。我们也在微波波段进行了实验验证,发现在入射频率8.6 GHz处,艾里光束能很好地产生,且无衍射和自弯曲的测量结果也与仿真结果一致。

关键词：双曲色散超材料金属-电介质多层结构艾里光束

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基于各向异性超材料的宽带偏振转换器件研究

基于各向异性超材料的宽带偏振转换器件研究

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作者：柯贤敏华中科技大学

学位级别：硕士

圆偏振光在手性结构探测及三维立体显示方面具有重要应用。传统的方法是利用一定厚度的双折射晶体来实现线偏振光到圆偏振光的转换,但是由于双折射率较小导致器件体积很大,不利于与其他光学元器件进行片上集成。超材料表现出传统材料所... 详细信息

圆偏振光在手性结构探测及三维立体显示方面具有重要应用。传统的方法是利用一定厚度的双折射晶体来实现线偏振光到圆偏振光的转换,但是由于双折射率较小导致器件体积很大,不利于与其他光学元器件进行片上集成。超材料表现出传统材料所不具有的奇特光学现象及材料特性,已经为实现高效偏振转换提供了许多种新奇的解决方案。具有模式双折射的各向异性超材料也可以用来实现线-圆偏振转换,但是两个正交方向的光波之间的相位差色散严重,导致工作带宽较窄。为了解决这个问题,本文提出,通过将两个相位差梯度相反的各向异性超材料结构集成在一起,来削弱相位差色散。结果表明利用该设计思路可以在宽频范围内实现π/2的相位延迟,进而实现宽频偏振转换。本文主要研究工作包括:(1)我们利用金属-电介质多层板构成的各向异性超材料(AMM)在宽频范围内实现了线偏振光和圆偏振光之间的有效转换。长方形横截面的AMM波导阵列存在较大的模式双折射率,可以用来操控偏振态。我们研究了如何通过使用双层堆叠式AMM波导阵列来实现弱色散的相位差。两个不同AMM波导阵列引入的相位差及相位差梯度的符号相反,使得最终的相位延迟表现出弱色散。通过将AMM波导的传播特性与传输矩阵结合,我们从理论上推导并得出了实现透射波无色散相位差的条件。进一步,我们指出所设计的基于双层堆叠式AMM波导的1/4波片可在宽频范围内有效地将线偏振光转换为圆偏振光。此外,线偏振度近似等于1及线偏振角大致等于45°的频率范围与工作频率范围是一致的。这为开发太赫兹波段的实用偏振转换器提供了一个很有前景的方法。(2)我们利用支持低频类表面波的金属栅(MG)阵列在宽频范围内实现了高效线-圆偏振转换并进行了实验验证。两个偏振方向正交的光波在MG阵列中的传播常数不同,因此MG阵列具有模式双折射。单个MG阵列只能实现窄带的线-圆偏振转换。我们通过数值仿真和实验测试研究了如何利用由两个不同的MG阵列组合而成的双层堆叠式MG阵列在宽频范围内实现常数π/2的相位延迟。两个不同MG阵列的引入的相位差及相位差梯度的符号相反,导致整体相位延迟在一段宽频范围内色散很弱。我们进一步指出,基于双层堆叠式MG结构的1/4波片可以在宽频范围内实现线偏振光和圆偏振光之间的有效转换。数值计算结果表明,在远离截止频率处,不同偏振态的光波的透射系数近似相等且保持在较大值,因此在工作频率范围内线偏振度近似等于1、线偏振角近似等于45°。实验测试结果与数值仿真吻合较好,证明双层堆叠式MG阵列可以实现宽带高效线-圆偏振转换。这为解决其他超材料结构实现的偏振控制器件带宽较窄的问题提供了有价值的方法。

关键词：各向异性超材料线-圆偏振转换金属-电介质多层结构类表面波

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