光学超构表面结构的多波长色散特性研究

论文摘要

光学色散一直以来都是光学领域中非常具有研究价值的一部分,它在光信息处理、光谱分析等方面具有重要作用。由于传统光学元件是通过光束经过元件时产生的连续相位延迟的积累来实现对于光束波前调制的,这使其主要依赖于材料本身的性质或形状轮廓。受限于天然材料的性质局限,传统光学元件通常存在尺寸较大、难以集成等问题,无法满足人们追求小型化、集成化的应用要求。近年来,超构表面因其具备的强大的光场操控能力在各国引发了研究热潮。超构表面是一种亚波长人工层状材料,可以看做是超构材料的二维对应,与超构材料相比,具有更易制备、损耗更小等优点。超构表面一般具有天然材料所不具备超常的物理特性,可以通过亚波长的微细结构实现对电磁波相位、振幅、极化方式等多种特性的灵活调控,它的出现为人们对光场的操控提供了新的研究思路。与传统光学元件相比,超构表面具有轻薄、易集成等优势,在光通信、光学传感、聚焦/成像器件等技术领域具有非常广泛的应用前景。本文主要针对光学超构表面结构的多波长色散特性展开相关研究工作,探索利用超构表面实现近红外波段（1450nm-1650nm）高效率的色散分光的设计方案。主要工作内容如下:1.针对传统光学色散元件的存在的问题,结合超构表面的优势,根据广义斯涅尔定律及超构表面工作原理,设计了一种工作在近红外波段（1450nm-1650nm）基于V形天线的多波长色散超构表面,使用FDTD Solutions数值仿真软件对所设计的超构表面进行了仿真计算和结果分析,证明了其在特定波段的分光能力,并且为提高工作效率对其进行了几个不同方向的优化尝试,对仿真结果进行了分析;2.根据V形天线多波长色散超构表面存在的问题,设计了一种结构更加简单的、效率更高的梯形天线多波长色散超构表面。与基于V形天线的超构表面相比,构成梯形超构表面的天线阵列每个周期单元仅含有一个天线结构,周期长度缩短,不同波长入射光的色散角度差有所增大,且其结构更加简单、更易制备。该超构表面采用了天线-绝缘体-金属膜的结构,通过数值仿真证明了利用超构表面可以实现近红外波段（1450nm-1650nm）较为高效的色散分光。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 超构材料及超构表面的研究进展
•   1.3 超构表面的应用
•     1.3.1 电磁隐身
•     1.3.2 超构表面全息成像
•     1.3.3 超构透镜
•   1.4 光学色散元件的发展
•     1.4.1 传统光学色散元件
•     1.4.2 基于超构材料和超构表面的色散控制元件
•   1.5 本文的研究目标
•   1.6 本文的主要研究内容及章节安排
• 第2章 超构表面的工作原理
•   2.1 广义斯涅尔定律
•   2.2 超构表面光场调控原理
•   2.3 超构表面的多波长色散原理
•   2.4 FDTD数值分析方法
•   2.5 本章小结
• 第3章 基于V形天线的多波长色散超构表面
•   3.1 V形天线工作原理及超构表面设计
•   3.2 数值仿真与结果分析
•   3.3 V形天线超构表面优化
•     3.3.1 双层结构超构表面
•     3.3.2 蚀刻结构超构表面
•     3.3.3 天线-绝缘体-金属膜结构超构表面
•     3.3.4 6个V形天线为一个周期的超构表面
•   3.4 本章小结
• 第四章 基于梯形天线的多波长色散超构表面
•   4.1 梯形天线工作原理及设计
•   4.2 数值仿真与结果分析
•   4.3 梯形超构表面优化设计
•   4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 主要工作内容
•   5.2 未来展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间的科研成果
• 学位论文评阅及答辩情况表

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 刘亚楠

导师: 方家熊,李炎

关键词: 光学色散,超构表面,亚波长天线结构,分光

来源: 山东大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 山东大学

分类号: O436.3

总页数: 67

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