基于介电超表面的光子自旋操控与探测研究

论文摘要

传统的方式操控光的波前,主要根据是惠更斯-菲涅耳原理:波前的每一个点都可以被认为是次级球面小波的源,它以光速向前展开,而所有这些第二小波的切向表面构成了新的波前。这些光学器件包括棱镜,透镜螺旋相位板,这些器件的主要特征是,相位的积累依赖于光的传播路径。而这种传统的光学器件往往体积较大,较为笨重,特别是外形不规则的光学器件,对于光学集成和微型化来讲,几乎是件不可能的事情。而超表面,即缩减维度的三维超材料,可以引入突变的界面相位的不连续,实现对电磁波的相位、振幅和偏振的完全操控。光学超表面具有超薄和平面的几何特性,使得其与其他光学器件包括传统的光学元件,集成并开发出紧凑的多功能的光学器件成为了可能。其中,基于Pancharatnam-Berry相位（几何相位）超表面会产生一个与自旋相关的现象,使得左旋圆偏振和右旋圆偏振光具有不同的传输行为。1.提出了基于超表面的一种新的艾里涡旋和艾里矢量光束的生成方法。在我们的方案中,艾里光束是由动力学相位调控的空间光调制器所产生的,涡旋相位或矢量偏振由具有电介质超表面的几何相位所调制。几何相位的调制提供了一个额外自由度去操控艾里光束的相位与偏振。该方案可以扩展产生具有所需的任何其他类型的光束相位和偏振。通过裁剪非均匀偏振来研究矢量光束的自旋相关操作。自旋相关的操纵是由于矢量光束中的自旋相关相位梯度所致,这可以看作是非均匀偏振的内在特征。通过建立波片的局部偏振方向与光轴的局部方向之间的关系,可以得到期望的偏振。证明,通过裁剪非均匀偏振,可以实现任意强度模式下的自旋相关操纵。2.超透镜以其小型化的功能和良好的光学性能,为光通信和信息处理提供了一种很有前途的解决方案。在这里,我们证明了自旋霍尔超透镜可以在可见光波段同时在横向和纵向操纵自旋轨道相互作用引起的光子自旋分裂,具有低色散和超过90%的衍射效率。将两个具有不同功能的几何相位透镜集成到一个动态相位透镜中,实现了宽带介质自旋霍尔元透镜,具有超小型化、便携化和偏振依赖性的特点。宽带自旋霍尔超透镜在成像、传感和多功能自旋光子学器件中具有重要的应用前景。3.与振幅和相位相似,光子自旋在光学中起着重要而重要的作用,在波前工程、新光学元件的研制和敏感光学测量等方面都得到了广泛的应用。在本文中,提出并实验证明了一种新型的自旋控制波前整形超表面。提出的几何相位超表面是利用集成结构和交错结构独立地控制左右旋分量来设计的。实验结果表明,这种复合超表面可以将平面波分别转化为分别产生左旋圆偏振光涡旋光束和右旋圆偏振光的Hermite光束。由于这种超曲面是由非共振介质结构制成的,它可以工作在低色散的宽带频率上。采用激光写入法在低成本的透明玻璃中制备了所提出的超表面,没有使用了传统的的高分辨率光刻工艺。这种依赖于自旋的宽带波前整形超表面可能在光通信、信息处理和光学测量中得到潜在的应用。4.光学边缘探测是描述边界的一种有效方法,也是对物体图像探测处理的前沿研究。随着超材料和超表面领域的迅速发展,在前所未有的规模上对光学器件小型化做出尝试,利用超材料实现光学边缘探测的实验仍然是停留在理论构想的挑战。在这里,提出了一种基于Pancharatnam-Berry相位的新型边缘探测机制。我们在实验中证明了我们设计的电介质超表面在进行宽带边缘探测具有较高的光学效率。通过扫描玻璃基板上聚焦的激光束来制造超表面,可以很容易的与传统的光学元件进行集成。提出的边缘探测机制在图像处理、高对比度显微镜以及实时目标探测等小型光学平台,如手机和智能相机等领域有着重要的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 金属超表面
•   1.3 介电超表面
•   1.4 几何相位介电超表面
•   1.5 本文主要研究内容与基本框架
• 第2章 基于介电超表面产生艾里涡旋和艾里矢量光束
•   2.1 艾里光束
•   2.2 艾里涡旋光束的产生
•   2.3 艾里矢量光束的产生
•   2.4 小结
• 第3章 利用裁剪偏振控制矢量光束的自旋操控
•   3.1 光的偏振
•   3.2 偏振操控矢量光束
•   3.3 矢量光束的自旋分裂
•   3.4 小结
• 第4章 宽带光子自旋超透镜
•   4.1 光子自旋霍尔效应
•   4.2 横向和纵向的光子自旋分裂的产生
•   4.3 小结
• 第5章 自旋控制波前整形超表面
•   5.1 自旋效应
•   5.2 超表面的设计原理
•   5.3 实验
•   5.4 小结
• 第6章 基于高效率电介质超表面的光学边缘探测
•   6.1 边缘探测介绍
•   6.2 边缘探测的理论模型
•   6.3 边缘探测实验结果
•   6.4 小结
• 第7章 总结与展望
•   7.1 总结
•   7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读博士学位期间已发表的论文
• 附录B 攻读博士学位期间所获奖励
• 附录C 攻读博士学位期间参与的相关课题

文章来源

类型: 博士论文

作者: 周军晓

导师: 文双春

关键词: 光子自旋,超表面,几何相位,光束分裂,边缘成像

来源: 湖南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,计算机软件及计算机应用

单位: 湖南大学

分类号: O43;TP391.41

DOI: 10.27135/d.cnki.ghudu.2019.000887

总页数: 84

文件大小: 4403K

下载量: 57