基于人工超表面的正交圓偏振光轉(zhuǎn)換器研究.pdf

1、人工超材料是當(dāng)今國(guó)際人員最為關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，借助于恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠展現(xiàn)出天然材料所不具備的神奇物理特性。針對(duì)一類特征結(jié)構(gòu)尺寸小于一個(gè)波長(zhǎng)的更薄的超材料，人們稱之為超表面。因其在厚度維度上具有的尺寸優(yōu)勢(shì)，極大地壓縮了基于超表面的光學(xué)器件空間尺寸，從而引領(lǐng)芯片級(jí)光學(xué)器件及系統(tǒng)邁向超集成化與超大規(guī)模集成的技術(shù)發(fā)展道路。本論文基于人工超材料技術(shù)，設(shè)計(jì)特殊結(jié)構(gòu)超表面實(shí)現(xiàn)正交圓偏振光的高效率偏振光轉(zhuǎn)換，發(fā)展超薄光學(xué)波片和偏振轉(zhuǎn)換器等平面功能器件

2、。
　　本論文綜述了課題研究背景和人工超表面技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀，總結(jié)了當(dāng)前在超表面技術(shù)方面已取得的令人振奮的諸多研究成果。針對(duì)Comsol Multiphysics電磁仿真軟件，探討并論證了實(shí)際應(yīng)用中需要注意的關(guān)鍵問(wèn)題。提出并論證了采用四個(gè)端口邊界條件對(duì)超表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值仿真的方法，相比于傳統(tǒng)的電場(chǎng)強(qiáng)度歸一化做比方法更為簡(jiǎn)便有效。采用瓊斯矩陣分析了不同結(jié)構(gòu)類型的透射光偏振本征態(tài)，指出了關(guān)于z軸 C4對(duì)稱結(jié)構(gòu)的超表面不能獲得透射型圓偏

3、振光轉(zhuǎn)換。針對(duì)6種簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的超表面，分析討論了正交圓偏振光偏振轉(zhuǎn)換特性及轉(zhuǎn)換效率等問(wèn)題。
　　采用Z字型結(jié)構(gòu)超表面，研究了透射型和反射型圓偏振光正交偏振轉(zhuǎn)換特性。針對(duì)透射型圓偏振轉(zhuǎn)換，改變超表面的平面幾何特征尺寸、晶格常數(shù)、厚度、層數(shù)和入射光角度等可控制參數(shù)，分析了透射圓偏振光的正交偏振轉(zhuǎn)換性能的變化，以及偏振轉(zhuǎn)換效率對(duì)可控制參數(shù)的依賴。在一定的范圍內(nèi)，增大平面尺寸結(jié)構(gòu)占晶格截面面積的比重，可以提高圓偏振光的正交偏振轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)

4、獲得更大的工作帶寬。增大超表面厚度或采用多層結(jié)構(gòu)，透射光的正交圓偏振轉(zhuǎn)換效率亦有明顯提升。相比于斜入射情況，采取正入射方式可使Z型結(jié)構(gòu)超表面獲得最高的正交偏振轉(zhuǎn)換效率。針對(duì)反射型正交圓偏振轉(zhuǎn)換，分析了基質(zhì)種類和厚度、幾何特征尺寸、金層厚度等參量在偏振轉(zhuǎn)換功能設(shè)計(jì)上的作用，探索有效提高偏振轉(zhuǎn)換效率的方案。選用較低折射率的基質(zhì)材料，可以改善反射光的圓偏振轉(zhuǎn)換效率，但工作帶寬有所減小。優(yōu)化Z型結(jié)構(gòu)的幾何特征尺寸可以提高反射圓偏振光的轉(zhuǎn)化效率。