基于超表面的光学几何相操控原理及器件研究

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1、学校代号10532学号B140700174分类号TN929密级博士学位论文基于超表面的光学几何相操控原理及器件研究学位申请人姓名柯友刚培养单位物理与微电子科学学院导师姓名及职称罗海陆副教授学科专业电路与系统研究方向光通信与微波光子技术论文提交日期2017年11月17日学校代号：10532学号：B140700174密级：湖南大学博士学位论文基于超表面的光学几何相操控原理及器件研究学位申请人姓名：柯友刚导师姓名及职称：罗海陆副教授培养单位：湖南大学专业名称：电路与系统论文提交日期：2017年11月17日论文答辩日期：2017年12月3日答辩委员会主席：陈克求教授Opticalgeom

2、etricphasemanipulationprincipleanddevicebasedonmetasurfacesbyKEYougangB.E.(HubeiEngineeringUniversity)2008M.S.(HunanUniversity)2011AdissertationsubmittedinpartialsatisfactionoftheRequirementsforthedegreeofDoctorofEngineeringinCircuitandSystemintheGraduateSchoolofHunanUniversitySupervisorAssoc

3、iateProfessorLUOHailuNovember,2017湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研宄成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品０对本文的研究做出重要贡献的个人和集体。本人完全意识到本声明的，均己在文中以明确方式标明法律后果由本人承担。／２作者签名：月＂円：杯孓曰期年学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全／解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机抅送交论文的复印件和电子版，允许论文

4、被査阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编、入有关数据库进行检索，可以采用影印缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于１、保密□，在解密后适用本授权书。年２、不保密０。“”（请在以上相应方框内打Ｖ）仏作者签名：Ｖ？日：曰期／年月／／：导师签名：曰期年？月／曰／ｆ基于超表面的光学几何相操控原理及器件研究摘要传统的光学器件，如棱镜、透镜和螺旋相位板，依赖光在传输过程中的相位积累去产生期望的波前。一般这类光学器件具有不规则的几何外形和较大的体积，不利于器件的微型化和集成化。超表面是一类缩减维度的超常材料

5、，可以引入突变的界面相位不连续，实现对电磁波的相位、幅度和偏振的完全控制。光学超表面具有的超薄和平面几何特性，使基于超表面的器件易于和其他光学器件集成发展紧凑的多功能光学器件。超表面引入的界面突变的相位可以是自旋无关的，也可以是自旋相关的相位，即Pancharatnam-Berry相位。左旋和右旋圆偏振光入射到Pancharatnam-Berry相超表面上，获得共轭的附加相位。在这个共轭的附加相位的作用下，入射的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光具有不同的传输行为。基于金属谐振子的反射型超表面可以实现很高的衍射效率。由于金属的欧姆损耗，基于金属谐振子的传输型超表面很难获得高的传输效率。全

6、电介质超表面可以引入界面突变的相位，这类超表面不存在金属的固有欧姆损耗，以致传输型的全电介质超表面可以实现很高的传输效率。实现高的传输效率是器件迈向实际应用过程的关键的一步。本论文首先研究基于电介质超表面的Pancharatnam-Berry相调控机理，进而发展基于电介质超表面的自旋光子学器件，如：光子自旋分离器、轴向自旋相关的多焦点透镜、光子自旋滤波器。相关的研究工作具体如下：1.实现光子自旋相关的分裂，分裂后的光斑的强度图案可以任意构造。以前关于光子自旋分离器的工作，都是致力于两种自旋态光子的分裂，没有考虑分裂后的自旋相关的光斑图案。而实际应用中往往需要特殊形状的自旋相关的光

7、斑。这里利用空间光调制器和电介质超表面的组合，实现了任意强度图案的自旋分裂。首先理论计算了两种圆偏振分量分离的距离和超表面光轴一维旋转率及传输距离的定量的关系。以典型的光强分布如：涡旋光束、厄米光束和艾里光束及特殊的符号为例，来演示分离的强度图案的性能。分离后的自旋相关的光斑图案可以是一样的，也可以不一致。进一步实验演示了分离的光斑呈现两种不同的强度分布。实现的分离后的自旋相关的强度图案的质量非常好，其原因可以归结于电介质超表面的传输效率和转换效率高。设计的自旋分离器可以用于分析