超构表面的空间色散与手性波束分离器件研究

论文摘要

手性是在自然界中普遍存在的一种重要几何属性,它源自于物体结构自身镜面对称性的缺失。材料的手性特征能够引起许多特殊的现象,例如药物分子的旋性会对生命体产生影响、电子在手性分子中的透过率会受到其自身自旋取向的影响等。在光学领域,当手性结构与圆偏振态的光相互作用时,也会有许多特殊的响应出现,包括旋光性、偏振转换二色性等,这些效应在通信、成像、传感等领域具有十分重要的作用。然而自然界中的结构由于其尺寸与光波长不匹配等因素,手征响应一般比较微弱,这对我们研究手性光学造成了一定的困难。随着研究的发展,异向介质(Metamaterial)的出现为手性光学的研究提供了很大的帮助。我们可以通过人工设计合理的结构来实现强烈的手征响应,在此基础上可以进行对圆偏振光的有效调控。除此之外,作为人工构造材料,异向介质还具有许多自然界材料不具备的性质,如负折射率、强烈手征响应等。作为异向介质的二维形态,超构表面(Metasurface)同样能用于手性光学的研究,并且相对于三维异向介质来说超构表面的体积更小,设计和制作更为简单,更有利于器件的小型化和集成化。本论文以超构表面的手征响应为重点,在新型超构表面的设计和实现等方面做了相关的研究。本文的具体研究内容归纳如下:1.首先我们利用散射矩阵理论对普通超构表面做了一般性分析,说明了超构表面旋光性、偏振转换二色性等存在的条件,并且分析了单层超构表面的偏振转换限度,最后对几类常见超构表面的传输矩阵进行了分析,为我们后续对超构表面的研究和设计提供了基础。2.对双各向异性超构表面的空间色散特性进行了研究,证明了超构表面可以同时具有强烈的线偏振二色性和圆偏振二色性。通过仿真和实验,我们证明了非手性双各向异性超构表面在外界场垂直入射时可以具有强烈的线偏振二色性,即只能吸收两种线偏振态波的其中一种;在倾斜入射时可以具有强烈的圆偏振二色性,即只能吸收两种圆偏振波的其中一种。在此基础上,我们通过调整超构表面单元的尺寸和取向还设计了双频段手性和具有混合手性特征的超构表面。3.我们将二维材料范德瓦尔斯异质结的概念引入超构表面的设计中,利用反向堆叠的超构表面能够实现了圆偏振波的手性反转分离。这种结构可以将一种圆偏振态的波反射另一种圆偏振态的波透射,并且改变其偏振状态。通过分析我们得出这种现象的产生是由结构特殊的层间耦合作用所引起的。这种结构也可以被用作线偏振波分束器,即能够将线偏振的入射波分成两束状态正交的圆偏振波,一束被反射另一束透射,这种功能与入射波的偏振方向是无关的。另外,我们设计的结构还具有非对称传输的性质,在外界波反向入射时,结构的手性特征会发生反转。4.通过超构表面与二极管的结合设计了手征响应可调控的超构表面。我们首先设计了一种手性开关超构表面,通过切换PIN二极管的导通和截止状态可以调控超构表面手征响应的强弱。我们还设计了一种多状态可切换超构表面,利用两个二极管与超构表面结合,设计出四种状态可切换的超构表面,分别对应左旋偏振吸收、右旋偏振吸收、都吸收和都不吸收四种情况。5.利用几何相位原理实现了具有手性分束聚焦功能的超构表面。我们使用三层超构表面结构实现了一种平面超构透镜,这种透镜可以实现对一种圆偏振波的透射聚焦,对另一种圆偏振波的反射发散,并且具有非对称传输特性,最后我们在微波频段对这种超构透镜进行了仿真和实验验证。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 本文的研究背景
•     1.1.1 电磁异向介质的发展历程
•     1.1.2 超构表面的发展及研究现状
•     1.1.3 手性异向介质的研究
•   1.2 本文研究内容及章节安排
• 第二章 超构表面的矩阵理论
•   2.1 超构表面的散射矩阵
•   2.2 超构表面的偏振特性
•     2.2.1 超构表面的旋光性
•     2.2.2 超构表面的圆偏振转换二色性与非对称传输
•     2.2.3 超构表面的线偏振转换二色性
•     2.2.4 线偏双折射与线偏振二色性
•   2.3 超构表面偏振转换的限度
•     2.3.1 超构表面的能量守恒
•     2.3.2 超构表面的最大损耗
•     2.3.3 最大圆偏振转换二色性
•     2.3.4 最大线偏振转换二色性
•   2.4 几种常见超构表面的传输矩阵
•   2.5 本章小结
• 第三章 双各向异性超构表面的空间色散研究
•   3.1 引言
•   3.2 空间色散超构表面理论
•     3.2.1 双各向异性材料理论
•     3.2.2 双各向异性超构表面的空间色散分析
•   3.3 空间色散超构表面设计与验证
•   3.4 双频段和混合手性超构表面
•   3.5 本章小结
• 第四章 超构表面手性反转波束分离器
•   4.1 引言
•   4.2 研究背景简介
•   4.3 手性反转波束分离超构表面的理论分析
•   4.4 手性反转波束分离器的设计与验证
•     4.4.1 仿真和实验验证
•     4.4.2 微观偶极作用分析
•     4.4.3 偏振无关性和结构敏感性分析
•   4.5 本章小结
• 第五章 手性超构表面的调控及聚焦
•   5.1 引言
•   5.2 可调控手性超构表面
•     5.2.1 手性开关超构表面
•     5.2.2 手性可切换超构表面
•   5.3 手性分束超构透镜
•     5.3.1 平面透镜的实现方法
•     5.3.2 几何相位法调控原理
•     5.3.3 平面手性超构透镜的设计及验证
•   5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 本文总结
•   6.2 未来展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文和参加科研情况
• 附录
• 学位论文评阅及答辩情况表

文章来源

类型: 博士论文

作者: 牛传宁

导师: 李洵,王作佳

关键词: 超构表面,空间色散,偏振二色性,手性分离

来源: 山东大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,机械工业

单位: 山东大学

分类号: O436.3;TH237.5

总页数: 121

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