基于全介质和等离激元超表面的高性能可调波片研究.pdf

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1、博博博士士士学学学位位位论论论文文文基于全介质和等离激元超表面的高性能可调波片研究HIGHPERFORMANCEWAVEPLATESWITHTUNABLEBIREFRINGENCEBASEDONALL-DIELECTRICANDPLASMONICMETASURFACESOwiti,EdgarOduor哈哈哈尔尔尔滨滨滨工工工业业业大大大学学学2018年年年04月月月国内图书分类号：O438学校代码：10213国际图书分类号：535密级：公开理理理学学学博博博士士士学学学位位位论论论文文文基于全介质和等离激元超表面的高性能可调波片研究博士研究生：Owiti,EdgarOduo

2、r导师：孙秀冬教授申请学位：理学博士学科：物理学所在单位：物理系答辩日期：2018年04月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:O438U.D.C:535DissertationfortheDoctoralDegreeinScienceHIGHPERFORMANCEWAVEPLATESWITHTUNABLEBIREFRINGENCEBASEDONALL-DIELECTRICANDPLASMONICMETASURFACESCandidate:Owiti,EdgarOduorSupervisor:Prof.SunXiudongAcademicDegreeAp

3、pliedfor:DoctorofScienceSpecialty:PhysicsAliation:DepartmentofPhysicsDateofDefence:April,2018Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology摘要摘要电磁波电场和磁场分量的正交振荡效应使其具备偏振特性。这种特性在许多领域中能够得到有效应用，如生物化学领域中的DNA传感技术、摄影技术和全息成像技术、以及光通信和创伤的诊断治疗技术等方面。在纳米光子学领域，研究者们设计并研究了一系列可以实现偏振相关的光操控的超薄超材料和超

4、表面结构。如平面透镜、波片、以及分光器等纳米结构也可集成到各种光学系统和设备当中。传统的处理光波偏振态的方法是采用体块波片来改变光的偏振态，这种体块波片大多由多层波片组成，并且利用自然材料中的双折射效应实现其功能。目前，超材料以及超表面结构的研究正在朝着工作波长可调与开关状态可切换的方向进行。本文的研究内容即为设计可见光和近红外波段的、具备可调谐双折射特征的、高带宽和高效率的四分之一波片超表面。天然水晶，如云母和方解石等，因其各向异性的双折射率特性，可作为线性双折射的传输介质。然而，这类晶体具有带宽较窄和体积较大的固有缺陷，因而限制了它们在光学系统中的应用和集成。而传统的超

5、材料和超表面也存在尚未完全解决的难题，如双折射的可调谐范围较小与工作带宽较窄等。因此本文设计了一种超薄的超表面结构，这种结构具有对特定偏振态入射光的截获、局域和散射作用。通过改变超表面单元结构的几何参数与材料性质，实现了对这种超表面结构双折射的调节。另外，通过改变外部栅极电压，还可以控制结构单元材料的介电特性，并应用这种方法在介质超表面上实现动态开关的功能。总的来说，即通过集成不同的材料来设计超表面结构，以获得能够调控光的振幅、相位和偏振的特性。超表面偏振转换器的研究中，最重要的挑战围绕在实现同时控制光相位、振幅与偏振特性。为了应对上述挑战，之前的许多研究利用精密的结构设计

6、来产生多重共振，每一个共振均可以独立地对一定范围内的相位进行调制。在本文中，除了调整结构的几何参数外，还利用包含石墨烯-硅混合的全介质超表面和包含石墨烯-金属的等离激元超表面分别实现了对上述光学特性的调制。之前的许多研究已经表明相对于全介质材料超表面，传统的等离激元超表面具有更优越的光学响应特性。然而金属固有的欧姆损耗较高，这导致等离激元超表面的透光效率相对于全介质超表面低，尤其是在可见光频率范围内。本文提出的全介质-石墨烯混合超表面结构具有显著的光学偏振转换特性，且几乎避免了欧姆损耗。由于Mie共振和Kerker条件，作为惠更斯源的超表面介质单元具有较高的散射光效率。应用

7、论文中所提出的全介质石墨烯超表面，可以实现高达95%的偏-I-HarbinInstituteofTechnologyDissertationforDoctoralDegreeinScience振转换率，这表明超表面的双折射特性得到了显著地增强。而且，含石墨烯的混合超表面结构可在中心波长周围30%内实现四分之一波片的光学特性，而无石墨烯的全介质超表面结构的带宽仅为8%。将光束缚在亚波长尺度可大幅提高对光的操控效果。由于可以通过控制超表面的几何结构参数从而调节等离激元的双折射特性，这使得超表面结构展现出传统各向异性晶体