超构表面透镜的色散调控研究

发布时间：2020-08-01 08:45

【摘要】：色散存在于几乎所有的光学系统之中,是评测光学系统功能性的至关重要的参数之一,因此色散的控制一直是一个经久不衰的研究课题。传统光学器件通常依赖于沿光路逐渐累积的相位差,来调制光波的波前。然而所使用的天然材料,其光学特性受限于本身的粒子能级,可调性非常小,这导致设计出光学器件体积大、形状多样、不易集成。因此,即使传统色散控制手段已经非常成熟,传统光学器件仍然无法满足现今对超薄、超轻、便携器件的追求。近年来,由于在微纳光操控以及片上纳米光子器件集成等领域的非凡表现,超表面成为了一个万众瞩目的研究热点。因其超轻、超薄以及电磁特性可调控的特点,有望突破传统光学器件的局限性,成为新一代的光学器件。超构表面(即超表面)是一种人工制造的二维亚波长结构阵列平面,通过亚波长结构与光波的相互作用,在亚波长的距离上对光波施以振幅、相位以及偏振态的调制,从而达到电磁特性可调控的目的。因其超轻、超薄、便携等特点,受到极大的关注,经历飞速发展后,已在诸如三维光束偏折、平面透镜、特殊光束生成、隐身斗篷、全息成像等诸多领域中,被证明所拥有的卓越性能。然而在实际应用中,由于损耗高、加工误差、色散等缺点,超表面器件的发展受到了严重限制。因此,本文针对这些限制中至关重要的色散问题进行了研究讨论,提出了两个关于超表面透镜的色散控制方案,主要工作包括:1.提出了一种多波长的色散独立操控方法:改变亚波长结构的几何形状来调制振幅,改变亚波长结构的方位角来调制相位,利用P-B相位的宽波带特性,将振幅调控与相位调控分开。不同的亚波长结构独立控制不同的波长,将这些亚波长结构交错排布,以实现多波长的色散独立操控。利用这一方法,设计出了5个应用于可见光波段不同功能的色散控制超透镜,分别实现了消色散、轴上超大色散以及离轴超大色散这些功能。2.提出了宽带连续的色散控制器件优化方案:通过引入一个波长相关的相位参数,为波前调控带来了新的思考维度,使得亚波长结构本身的色散与光波在空间中传播产生的色散相互补偿,实现宽带的色散控制。以粒子群优化算法代替手动亚波长结构优化方法,大大减小了人工的结构优化工作量。基于物体对入射光偏振态的敏感性,设计了一系列可应用于中红外大气窗口偏振无关与偏振相关的色散控制超透镜,为进一步展开偏振成像技术打下基础。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O436
【图文】：

公式推导,定理,广义,几何关系

第 1 章绪论用机理。由于光与亚波长尺寸结构之间的相态的突变，许多传统的光学理论将被改写，—斯涅耳定理。工国家重点实验室的罗先刚小组[83]介绍了出了可应用于超表面器件的折射与反射公式折射与反射。而后，2011 年哈佛大学的 Na耳定理这一概念。最后，罗先刚小组于 201反射光学理论。

斯涅耳,三维坐标,广义,几何关系

射空间的折射率。由此，广义的斯涅耳定理可写作0t t i idsin( ) -sin( )2 dxn n 0riidsin( )-sin( )2 n dx 后者为反射定理。理，扩展到三维空间中的斯涅耳定理[13]可以写作： 001 dsin sind1 dcos sindt t i it t tn nk xnk y 001 dsin sind1 dcos sindi r i ii r rn nk xnk y

涡旋,光束,环状,螺旋

图 1.3 涡旋光束螺旋相位及环状振幅[90]Figure 1.3 The phase and amplitude of optica学的 Nanfang Yu 等人[23]利用金属的 V 型如图 1.4（Ⅰ）所示。左图（A）是超表图。超表面由八个区域组成，每个区域由产生从 0 到 2π变化的相移响应，由此得实际测量与理想的涡旋光束远场强度。由涡旋光束和共同传播高斯光束的相F）分别为测量的和理想的情况。当两者会产生错位条纹，（G）跟（H）分别为科技大学的 Jinwei Zeng 等人[91]利用 C

【参考文献】