基于等离激元超表面的全息光场调控研究

论文摘要

表面等离激元（Surface Plasmon Polaritons）是一种产生于金属表面和介质分界面处由金属中的自由电子和光子相互耦合震荡激发,并沿着分界面而传播的表面电磁波。近年来,SPP在光学领域越来越受到科学工作者的关注,被广泛的应用于超分辨、生物传感、光学成像、SPP光镊等。超表面（Metasurface）是指一种亚波长厚度的人工层状材料,可通过亚波长尺寸的周期单元的强烈光学响应改变局部光场的位相和振幅,从而实现亚波长尺寸下周期单元波前等信息灵活的调控。等离激元超表面是基于SPPs技术构成的一类超表面器件的统称,这类器件由于其具有加工简便,结构紧凑等优点,自其问世到现在已经在光学领域占据了举足轻重的地位。近几年一大批等离子光学超表面器件相继涌现出来,被广泛应用于光通信、光束整形、全息显示等领域。本文基于等离激元超表面器件开展的主要研究内容及主要涉及的内容包括以下几个方面:1.首先我们对超材料的背景及超表面的诞生与发展做了简要概述,同时我们还根据构成超表面调控单元的材料将超表面划分为等离激元超表面与介质超表面两大类,并简要介绍了近几年基于这两种超表面所做的一些具有代表性的器件。最后我们将超表面全息技术与传统全息技术进行了对比并分析了超表面全息技术的优势。2.首先我们用理论推导了广义斯涅尔情形下的异常折反射定律,并结合实例阐明了超表面调控相位的机理。并系统地对衍射理论做了详细的介绍,从麦克斯韦方程出发推导出,到了菲涅尔衍射和夫琅和费衍射计算公式,同时还详细介绍了当下设计全息图比较常用的两种方法:G-S算法和点源法。另外,对本文所用到的仿真方法-时域有限差分法（FDTD）也做了简要的概述。3.介绍了基于T型微纳谐振腔等离激元超表面实现了对全息光场复振幅信息的调控。该部分内容我们首先对迂回位相的原理做了简要的概述。紧接着我们阐述了T型微纳谐振腔参数的选择原因,以及该结构具备的宽谱特性。最后,我们对该器件成像的性能做了验证,并与纯相位全息图作了比较,证明了该结构能够很好的实现对全息光场复振幅的调制。4.介绍了基于纳米十字狭缝等离激元超表面对全息光场位相和偏振态的同时调控。在该部分我们首先介绍了利用该器件实现对涡旋光束偏振态的调控,而后我们介绍了对周期单元结构不同参数对衍射效率,透射率和偏振分光的影响,综合考量并确定了器件最终参数,最后,我们通过G-S算法获得目标图像的相位信息并编码到超表面上实现了对单个全息图像以及双环形全息图像偏振态的调控,证明了该器件可以很好的实现对全息图像位相与偏振态的同时调控。5.我们进行了对所作工作的总结与展望,以及在该领域中的的应用远景同时还阐述了本研究课题的拓展性延续工作计划。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 超表面背景介绍
•   1.2 超表面的分类
•     1.2.1 等离激元超表面
•     1.2.2 介质超表面
•   1.3 超表面全息技术概述
•     1.3.1 传统全息技术
•     1.3.2 超表面全息技术
•   1.4 超表面的主要应用
•   1.5 本论文的主要内容及创新点
• 第2章 等离激元超表面设计理论基础
•   2.1 超表面调控机理
•     2.1.1 广义斯涅耳定律
•     2.1.2 V型金属天线阵列超表面
•   2.2 衍射理论介绍
•   2.3 全息图设计的方法
•     2.3.1 G-S算法
•     2.3.2 点源法
•   2.4 数值模拟的方法
•   2.5 本章小结
• 第3章 基于T型谐振腔超表面对全息光场复振幅的调控
•   3.1 迂回位相原理介绍
•   3.2 基于T型纳米谐振腔超表面全息图的设计
•   3.3 T型谐振腔结构的设计
•   3.4 全息成像结果与分析
•   3.5 复振幅全息误差分析
•   3.6 本章小结
• 第4章 基于十字狭缝超表面的全息光场位相与偏振态调控
•   4.1 基于十字狭缝等离激元超表面全息图的设计
•     4.1.1 涡旋光束的产生与调控
•       4.1.1.1 涡旋光束简介
•       4.1.1.2 涡旋光束全息图的设计
•   4.2 十字狭缝结构参数的选择
•   4.3 全息成像结果与分析
•   4.4 本章小结
• 第5章 总结与展望
•   5.1 主要工作总结
•   5.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 郑闪光

导师: 闵长俊

关键词: 表面等离激元,超材料,超表面,迂回位相,全息光场调控

来源: 深圳大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 物理学,物理学,材料科学

单位: 深圳大学

分类号: TB34;O53;O438.1

DOI: 10.27321/d.cnki.gszdu.2019.000550

总页数: 50

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