金属螺旋圆偏振器的原理研究和优化设计

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1、金属螺旋圆偏振器的原理研究和优化设计重庆大学硕士学位论文（学术学位）学生姓名：纵婷指导教师：喻洪麟教授专业：仪器科学与技术学科门类：工学重庆大学光电工程学院二O一五年四月StudyontheprincipleofopticalcircularpolarizerwithmetallichelicalmetamaterialsanditsOptimalDesignAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheMaster’sDeg

2、reeofEngineeringByZongTingSupervisedbyProf.YuHonglinSpecialty：InstrumentScienceandTechnologyCollegeofOpto-electronicEngineeringChongqingUniversity,Chongqing,ChinaApril2015重庆大学硕士学位论文中文摘要摘要随着现代社会的发展，圆偏振器作为光学领域中的重要偏振元器件，对其工作性能的要求越来越高。传统的圆偏振获取方法存在带宽窄、不易集成等缺点，因此对圆偏振器的优化设计具有重要

3、意义。2009年，德国J.K.Gansel等人首先利用金属螺旋结构的电磁超材料，研制出圆偏振器，并获得了圆偏振光，但其研究集中在单螺旋结构。研究发现，金属螺旋圆偏振器的螺旋结构对其工作性能具有很大的影响，因此，论文研究希望通过优化金属螺旋圆偏振器的结构设计，从而获得具有更优良性能的圆偏振器。研究主要包括以下三个部分：首先研究分析了金属螺旋圆偏振器的工作原理。金属螺旋线栅与电磁波的相互作用十分复杂，论文主要根据螺旋天线理论，通过分析金属螺旋线栅的激励响应过程，从而获得金属螺旋圆偏振器能够实现圆偏振选择的原理。同时定性分析了其能够实现宽带频

4、率响应的原因。其次研究总结了金属螺旋线栅的结构参数对金属螺旋圆偏振器工作性能的影响。研究工作以金属单螺旋圆偏振器为例，采用数值模拟的方法，分别研究了金属螺旋线栅的螺旋直径、螺旋圈数、螺旋节距、构建单元间距、螺旋线直径这五个结构参数的变化对器件的工作带宽和平均消光比等光学特性的影响，并归纳了它们之间的变化关系。最后提出了对金属螺旋圆偏振器的结构优化设计。对金属螺旋圆偏振器的优化设计主要包括对金属N螺旋结构的研究和对锥形金属螺旋结构的研究。首先，在前期对金属螺旋圆偏振器的工作原理和结构参数研究的基础上，提出了金属N螺旋结构的圆偏振器。分别研

5、究了金属双、三、四螺旋结构的光学性能的差异，它们相比于金属单螺旋圆偏振器的工作性能都有一定的提升。另外，提出了一种锥形金属螺旋结构的圆偏振器，这种结构是在均匀不变的金属螺旋结构的基础上，通过逐渐减小金属螺旋的半径获得的。锥形金属螺旋结构的圆偏振器在很好地扩展了工作带宽的同时也使消光比有所提高。论文对金属螺旋结构参数的影响有了系统的研究成果，为以后金属螺旋圆偏振器的结构优化提供了指导依据及方向。另外，提出的金属N螺旋结构和锥形金属螺旋结构圆偏振器均实现了对器件工作性能的提升。关键词：金属螺旋；圆偏振器；电磁超材料；数值模拟；FDTDI重庆

6、大学硕士学位论文英文摘要ABSTRACTWiththedevelopmentofmodernsociety,asanimportantpolarizingcomponentofopticalfield,thecircularpolarizerisrequiredincreasingperformance.Traditionalmethodstoobtaincircularpolarizationhavenarrowbandwidthandaredifficulttointegrate.Soitisimportanttooptimizet

7、hedesignofcircularpolarizers.In2009,theGermanJ.K.Ganseletalfirstobtainedthecircularlypolarizedlightwiththeelectromagneticmetalspiralmetamaterial.However,theirstudyofcircularpolarizerislimitedtothesinglespiralstructure.Weknowthatthestructureofmetallichelicalcircularpolari

8、zershasagreatinfluenceonitsworkingperformance.Thereforeinordertogaincircularpolarizerwithmoreexcellentp