人工微结构超材料的光场传输与耦合调控及其应用

《人工微结构超材料的光场传输与耦合调控及其应用》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、博士学位论文人工微结构超材料的光场传输与耦合调控及其应用作者姓名：杨辉指导教师:陈效双研究员中国科学院上海技术物理研究所学位类别:理学博士学科专业:微电子学与固体电子学培养单位:中国科学院上海技术物理研究所2018年6月RegulationtheOpticalFieldTransmissionandCouplingofArtificialMicrostructureMetamaterialandItsApplicationAdissertationsubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesin

2、partialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofPhilosophyinMicroelectronicsandSolidElectronicsByYangHuiSupervisor:ProfessorChenXiaoshuangShanghaiInstituteofTechnicalPhysics,ChineseAcademyofSciencesJune2018中国科学院大学研究生学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。尽我

3、所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明或致谢。作者签名：日期：中国科学院大学学位论文授权使用声明本人完全了解中国科学院大学有关保留，使用学位论文的规定，即：学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存学位论文。本人同意《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》出版章程的内容，愿意将学位论文提交《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社，

4、编入CNKI学位论文全文数据库并充实到“学位论文学术不端行为检测系统”比对资源库，同意按章程规定享受相关权益。保密论文在解密后遵守此规定。论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日摘要摘要超材料由人工设计的单元组成，它的电磁参数任意可调，具有自然界材料所不具备的新颖电磁特性。表面等离激元的等效波长小于自由空间波长，利用它能够突破衍射极限。将两者结合起来，借助超材料电磁参数任意可调和表面等离激元能够突破衍射极限的特性，可以实现光学器件的小型化、集成化以及多功能化。本论文通过设计人工微结构对电磁波进行有效调控，实现了等离激元诱导透明、偏振调控、光束聚

5、焦以及偏振解析等一系列光学效应，并探究了其在光电子器件上的应用。主要研究内容与创新点如下：一、在单个谐振腔调制的金属-介质-金属波导结构中实现了类电磁诱导透明效应。利用传输线理论，建立了一个修正的传输线模型来阐述谐振腔中激励的两种正交的电磁场模式。理论解析和数值模拟结果的一致性充分验证了传输线模型的有效性。此外，建立了两个类似于原子系统中电磁诱导透明的三能级体系模型，揭示了类电磁诱导透明效应的内在物理机制。结果发现，水平激励的类电磁诱导效应具有更好的光谱特性以及更大的群折射率。该结果将加深对类电磁诱导透明效应产生机理的理解，为高度集成光学器件中

6、电磁波的调控提供理论指导。二、提出了一种概念上全新的设计原理，设计了具有一些奇异功能的超薄平面超波片。通过设计两种不同的切口结构，将带有自旋角动量的入射圆偏振光转化为具有相反轨道角动量的等离激元模式。产生的两种等离激元模式在近场范围内相互作用，最终在远场上转化为不带有角动量的线偏振光。在此过程中，入射光带有的角动量被湮灭掉，此时的超波片结构体现出了四分之一波片的功能。然而，与传统的四分之一波片相比，该超波片具有单向转化的性能(只能将圆偏振光转化为线偏振光)，并且转化的线偏振光具有特定的出射偏振角。此外，该超波片可以具有手性材料的特性，可以在一个

7、宽波段范围内展现旋光效应。三、基于超表面结构设计了一个超薄的反射式平面超透镜，利用它可以实现突破衍射极限的多功能聚焦效应。根据等光程差原理，推导了多功能聚焦解决相位补偿需要满足的相位分布。根据相位公式，设计了具有突破衍射极限特征、高聚焦效率(85%)及宽带聚焦效应的中心聚焦超透镜。同时，为了展示反射超透镜I人工微结构超材料的光场传输与耦合调控及其应用的灵活性，研究了偏心聚焦效应以及横向和纵向的双聚焦效应。由于倏逝波场增强机制的存在，所展示的聚焦效应都能够突破衍射极限。此外，还探究了超透镜数值孔径和透镜结构尺寸的关系，揭示了其对聚焦性能的影响。四

8、、利用不具有旋转不变性的超表面结构实现了宽波段偏振无依赖超透镜。超透镜的结构单元由两列能够分别聚焦左旋圆偏振光与右旋圆偏振光的纳米块阵列结构组成。基于