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基于人工超表面的正交圆偏振光转换器研究

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 超表面研究进展及现状

1.3 本论文主要研究内容

第2章 超表面的基础理论与分析方法

2.1 引言

2.2 金属材料光学响应的Drude模型

2.3 超表面结构的本征偏振态

2.4 Comsol中圆偏振光源与计算方法

2.5 简单超表面结构的圆偏振转换特性

2.6 网格无关性检验

2.7 本章小结

第3章 透射式Z型结构超表面正交圆偏振转换特性

3.1 引言

3.2 Z型超表面结构的几何特征尺寸设计与分析

3.3 单层超表面结构厚度的设计与权衡

3.4 多层超表面的层数选取与转换效率增强

3.5 双层超表面结构的隔离层厚度的设计及影响

3.6 正交偏振转换效率对光束入射角度的敏感性分析

3.7 本章小结

第4章 反射式Z型结构超表面正交圆偏振转换特性

4.1 引言

4.2 Comsol中反射圆偏振光源分析与超表面模型

4.3 反射型超表面基质材料的作用与选取

4.4 反射型超表面结构的几何特征尺寸的设计与分析

4.5 反射型超表面的基质材料层厚度的设计与分析

4.6 金属层的设计及有效厚度的优化计算

4.7 优化结构超表面的反射型圆偏振转换性能分析

4.8 本章小结

结论

参考文献

致谢

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摘要

人工超材料是当今国际人员最为关注的热点问题,借助于恰当的结构设计,能够展现出天然材料所不具备的神奇物理特性。针对一类特征结构尺寸小于一个波长的更薄的超材料,人们称之为超表面。因其在厚度维度上具有的尺寸优势,极大地压缩了基于超表面的光学器件空间尺寸,从而引领芯片级光学器件及系统迈向超集成化与超大规模集成的技术发展道路。本论文基于人工超材料技术,设计特殊结构超表面实现正交圆偏振光的高效率偏振光转换,发展超薄光学波片和偏振转换器等平面功能器件。
  本论文综述了课题研究背景和人工超表面技术的发展及现状,总结了当前在超表面技术方面已取得的令人振奋的诸多研究成果。针对Comsol Multiphysics电磁仿真软件,探讨并论证了实际应用中需要注意的关键问题。提出并论证了采用四个端口边界条件对超表面结构进行数值仿真的方法,相比于传统的电场强度归一化做比方法更为简便有效。采用琼斯矩阵分析了不同结构类型的透射光偏振本征态,指出了关于z轴 C4对称结构的超表面不能获得透射型圆偏振光转换。针对6种简单结构的超表面,分析讨论了正交圆偏振光偏振转换特性及转换效率等问题。
  采用Z字型结构超表面,研究了透射型和反射型圆偏振光正交偏振转换特性。针对透射型圆偏振转换,改变超表面的平面几何特征尺寸、晶格常数、厚度、层数和入射光角度等可控制参数,分析了透射圆偏振光的正交偏振转换性能的变化,以及偏振转换效率对可控制参数的依赖。在一定的范围内,增大平面尺寸结构占晶格截面面积的比重,可以提高圆偏振光的正交偏振转换效率,同时获得更大的工作带宽。增大超表面厚度或采用多层结构,透射光的正交圆偏振转换效率亦有明显提升。相比于斜入射情况,采取正入射方式可使Z型结构超表面获得最高的正交偏振转换效率。针对反射型正交圆偏振转换,分析了基质种类和厚度、几何特征尺寸、金层厚度等参量在偏振转换功能设计上的作用,探索有效提高偏振转换效率的方案。选用较低折射率的基质材料,可以改善反射光的圆偏振转换效率,但工作带宽有所减小。优化Z型结构的几何特征尺寸可以提高反射圆偏振光的转化效率。适当增加基质厚度,可进一步提升反射圆偏振光转换效率,但基质表面上的金层厚度不宜过大。随着金层厚度增加,反射的圆偏振转换效率渐近饱和。研究结果在开发透射型和反射型超薄波片等正交圆偏振转换功能器件方面具有重要的指导意义和应用价值。

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