基于超表面涡旋的产生、调制和传输特性研究

论文摘要

具有螺旋相位波前的涡旋光束因携带轨道角动量为光场调控提供了更多的自由度,因此在光学通信、光学微操控和信息编码等方面有着广阔的应用。光学涡旋的产生常借助于螺旋相位板、光栅和光纤等传统光学元件,通过光波在传播过程中吸收、旋光或色散效应的累积来实现。近年来,超表面光学元件以其紧凑超薄的结构和相比传统的光学元件更易于光学集成的优势引起广泛关注。超表面可通过超薄纳米结构与光的相互作用使透射场产生突变相位来操控光波,它为构建各种超薄光学器件和推进平面光子学的发展提供了关键技术,也为光学涡旋的产生提供了新的思路。因此基于超表面和纳米结构开展光学涡旋及其传输特性的研究具有重要的意义。本论文以光学超表面为基础,基于纳米结构引起的突变相位开展波前调控的研究,通过设计超表面结构实现了光学涡旋的产生、调制和传输特性的研究。论文的创新性工作包括如下几个方面:一是设计了无偏振依赖的光学涡旋发生器,二是设计了空间复用的聚焦透镜和聚焦涡旋透镜,三是基于螺旋缝产生了可变拓扑荷的光学涡旋。基于超表面的涡旋发生器具有结构简单和功能灵活可控的优势,为拓展涡旋光束的应用产生了重要影响。论文的具体内容安排如下:第一章是论文的绪论部分。绪论介绍了超表面和光学涡旋的研究背景及本论文要展开的工作。超表面是本文的基础,本章首先介绍了超表面的基础知识。超表面可调控光场的偏振态,绪论给出了偏振光和偏振元件的矩阵描述,包括各类偏振光和几类偏振元件在圆偏振基中的描述。本章还描述了涡旋光束,介绍了涡旋光束的传统产生方法,包括螺旋相位板法,激光腔内调制法以及计算全息法等,这些方法都存在体积庞大而不利于光学集成等问题,超表面设计的光学涡旋发生器则很好的解决了这个问题。本章的最后介绍了几种基于超表面的光学涡旋发生器,包括相位递增的纳米天线构成的涡旋发生器、利用纳米孔几何相移设计的空间复用涡旋发生器和利用阿基米德螺缝产生的可变拓扑荷涡旋发生器。第二章介绍了无偏振依赖的等离涡旋发生器。针对目前涡旋发生器对入射光的偏振态有强烈的依赖性这一局限,我们设计了一种在任意偏振态的线偏振光照明下都能够产生光学涡旋的涡旋发生器。该器件由刻蚀在银膜上的两组矩形孔构成,这两组矩形孔均匀的排列在一个圆环上且按照设定角度和方向转动。理论分析给出了涡旋发生器的设计原理,数值模拟为设计涡旋发生器的几何参数提供了指导,实验测量验证了我们所设计的涡旋发生器的性能。我们也给出了无偏振依赖性的涡旋发生器的两种变形形式。等离涡旋发生器具有紧凑的结构和灵活的照明条件而且能够产生的完美光学涡旋。第三章基于超表面提出了空间复用的超透镜,实现了光束聚焦和光学涡旋。这些透镜由刻蚀在银膜上的相同的十字孔组成,并且这个十字孔可以等效为一个半波片,它可实现圆偏振光的完全交叉偏振转换。十字孔的转动引入几何相移,从而塑造光波波前和涡旋波前。将多个超表面结构组合设计了沿纵向或横向分布的操控多个焦点的聚焦透镜和不同拓扑荷数的光学涡旋透镜,并且聚焦点和光学涡旋在三维空间任意组合。我们所提出的空间复用超透镜具有多功能、高信噪比和易于操作的优点。第四章提出了一种基于纳米螺旋缝的涡旋光束发生器,并探究了光学拓扑荷随着传播距离的演化规律。传统方法产生的光学涡旋有固定的光学拓扑荷,相比较而言,我们所提出的涡旋光束发生器产生的光学涡旋的拓扑荷能随传播距离的变化而变化。拓扑荷的值可以通过螺旋缝的开口间隙大小和传播距离的远近调节来控制。理论分析预测了纳米螺旋缝产生的近场涡旋光束的拓扑荷的变化规律,数值模拟和实验测量验证了设计方案的有效性。本章还讨论了螺旋线的结构和形状对光学涡旋的影响。这项工作为产生具有可变拓扑电荷的涡旋场提供了理论基础。第五章为论文的总结。本章不仅总结了论文的主要内容与创新点,说明了论文存在的不足与未克服的困难,也对接下来的工作计划进行了阐述。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 超表面的研究背景
•   1.2 超表面的表征及其对光场的调控
•   1.3 光学涡旋及其传统的产生方法
•   1.4 超表面涡旋的产生
•   1.5 本文的主要工作和创新点
• 第二章 无偏振依赖的等离涡旋发生器
•   2.1 引言
•   2.2 等离涡旋发生器的结构设计
•   2.3 等离涡旋产生的物理机理
•   2.4 等离涡旋发生器性能的数值模拟
•   2.5 等离涡旋发生器性能的实验验证
•   2.6 等效的等离光学涡旋发生器
•   2.7 本章结论
• 第三章 光学超表面空间复用聚焦透镜与涡旋透镜的研究
•   3.1 引言
•   3.2 超表面结构单元的设计
•   3.3 空间复用的聚焦透镜和涡旋透镜
•   3.4 实验测量
•   3.5 本章结论
• 第四章 基于螺旋线产生的光学涡旋传输特性的研究
•   4.1 引言
•   4.2 可控拓扑荷的光学涡旋产生模型
•   4.3 可变拓扑荷光学涡旋的产生及传输特性
•   4.4 光学涡旋传输特性的数值模拟
•   4.5 实验测量
•   4.6 螺旋线结构对光学涡旋传输特性的影响
•   4.7 本章结论
• 第五章 全文总结与展望
•   5.1 全文总结
•   5.2 论文的不足与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及获得的奖励
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王寒

导师: 滕树云

关键词: 超表面,光学涡旋,纳米结构,表面等离激元,拓扑荷

来源: 山东师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 山东师范大学

分类号: O43

总页数: 67

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