基于悬链线光学的位相调控纳米结构设计与研究

论文摘要

对波束的调控,一直以来是人们研究的热点。而用于控制波束波前的传统光学元件因其需要一定的厚度和较大的体积,严重阻碍了现代光学器件向集成化和小型化的方向发展。虽然人工电磁超材料由于其超常的电磁响应特性,可以实现亚波长尺度的电磁波调控,但其结构较为复杂,难以制备,并且也有高损耗和带宽较窄的缺陷。而由三维超材料引申到二维平面的超表面结构克服了以上问题,并因其优异的性能受到了人们广泛的关注。本文主要研究了基于P-B相位调控的悬链线超表面结构。这种超表面结构的单个单元就可以产生0-2π的连续相位变化。不像离散型纳米天线需要离散的相位采样,所以这就极大地简化了结构的设计以及制备的复杂性,对以后的应用具有巨大的优势。并且,悬链线结构可以实现波束偏振态的转化,可以对波束的波前进行有效的调控,同时还具有宽带相位调制特性。本文具体内容包括:1.介绍了超表面结构的研究现状及三种典型的位相调控方法和原理,同时从理论上分析了悬链线超表面结构位相调控的内在机理。2.构建了使得透射光束偏折角度为30°、45°以及60°的悬链线偏折阵列结构,通过仿真模拟分析了其透射场的电场分布以及远场中的辐射方向图。并且通过MATLAB对透射场的数据进行了去共极化处理,所得到的结果充分说明了透射场中的共极化分量没有发生偏折,仍然沿着原来的方向传播,真正发生偏折的是入射波通过悬链线结构后产生的交叉极化波部分。3.利用悬链线结构对入射波束独特的位相调控特性,借助Python设计了圆环形、单螺旋形以及双螺旋形的悬链线超表面结构。通过仿真结果可知,这些结构可以对近红外波段的入射光束进行有效的调控,产生高阶的贝塞尔光束,并且其响应的带宽很宽,在260THz-300THz频率范围内都有良好的调控效果。4.对悬链线结构的交叉极化转换效率进行了详细的研究,通过优化悬链线结构的周期、材料、添加反射层以及增透层的方法,使得悬链结构的交叉极化转换效率从最初的2%提高到19%（理论极限值25%）。最后通过单螺旋的悬链线模型,对本文提出的交叉极化转换效率提升的方法进行了模拟验证。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 超材料和超表面
•     1.2.1 超材料的历史背景
•     1.2.2 超表面的出现及其优势
•     1.2.3 超表面的国内外现状
•   1.3 光学悬链线简介
•     1.3.1 悬链线的由来
•     1.3.2 光学悬链线简介
•   1.4 本论文主要工作和结构安排
•   1.5 本章小结
• 第二章 超表面位相调控基本理论和方法
•   2.1 超表面位相调控基本理论
•     2.1.1 广义斯涅尔定律
•     2.1.2 超表面阵列的边界条件推导
•     2.1.3 惠更斯等效原理
•   2.2 超表面位相调控的方法和原理
•     2.2.1 传输型位相调控
•     2.2.2 电路型位相调控
•     2.2.3 几何型位相调控
•   2.3 本章小结
• 第三章 悬链线的建模仿真和分析
•   3.1 CST STUDIO SUITE仿真软件
•     3.1.1 CST软件简介
•     3.1.2 CST的算法思想
•   3.2 基本结构的建模和分析
•   3.3 波束偏折阵列的设计
•     3.3.1 悬链线的波束偏折原理
•     3.3.2 偏折阵列的建模仿真
•       3.3.2.1 建立数值模型
•       3.3.2.2 仿真结果分析
•   3.4 本章小结
• 第四章 基于悬链线的超表面结构设计及效率提升
•   4.1 悬链线结构的设计
•     4.1.1 圆环形结构设计
•     4.1.2 螺旋形结构设计
•   4.2 悬链线纳米结构的效率提升研究
•     4.2.1 交叉极化转换效率的理论极限
•     4.2.2 交叉极化转换效率的提升
•       4.2.2.1 占空比的优化
•       4.2.2.2 材料及结构层的优化
•   4.3 应用前景
•   4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 本文工作总结
•   5.2 后续工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张雷军

导师: 赵青

关键词: 超表面,悬链线,相位,交叉极化转换效率

来源: 电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,材料科学,无线电电子学

单位: 电子科技大学

分类号: TN256;TB383.1

总页数: 72

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