基于超表面的光學波片和表面等離激元耦合器的設計.pdf

1、基于控制光波波前的超表面研究近來受到了廣泛的關注并得到了長足發(fā)展。相對于傳統(tǒng)光學元件，超表面具有以下優(yōu)點:第一，可以在亞波長厚度內控制波前;第二，可以將能量全部集中到所需的單個衍射級;第三，可以獨立控制光波的磁場分量，使其與真空阻抗匹配，實現(xiàn)無反射、高效率的光學器件;第四，易于同增益介質、非線性材料和電學器件集成。
　　超表面的設計基礎源于推廣的惠更斯原理（表面等效原理），其主要理念是利用納米共振結構構建“惠更斯點光源”。通過調節(jié)

2、共振強度和共振引入的突變相位（散射光與入射光的相位差），實現(xiàn)對波片上任一點光源振幅和相位的調節(jié)，從而控制光的傳播、偏振、光束形狀等性質。
　　由于貴金屬和高折射率介電介質的納米結構支持光學波段的共振，可以產生強烈的光散射、吸收和局域場增強，所以在納米光子學、超材料、光電器件、光譜學、光學傳感器等領域得到了廣泛應用。在本博士論文中，基于貴金屬納米結構的局域等離激元共振和高折射率介電介質的納米結構的米共振，開展了可見和近紅外波段的高效

3、率半波片和1/4波片、單向的表面等離激元耦合器的設計和研究，主要內容如下。
　　在第一章中，主要介紹了局域等離激元和表面等離激元的基本性質;分析了貴金屬納米結構的光散射特性，包括散射強度、散射光角度分布及散射過程中引入的突變相位等;簡要介紹了超表面的設計理念和最新進展;最后，我們介紹了基于時域有限差分法的數(shù)值模擬及若干模擬中需要考慮的問題。
　　在第二章中，基于金屬納米陣列/間隔層/金屬薄膜結構，我們設計了可見光波段的反射式

4、半波片。我們發(fā)現(xiàn)，通過合理地設計和調控結構參數(shù)，可以使得波片的工作波段覆蓋整個可見光波段。我們還發(fā)現(xiàn)超晶胞設計可以進一步提升半波片的工作帶寬，并提出平均響應理論解釋此現(xiàn)象。超晶胞設計可以用于拓寬其它光學器件的工作波段。
　　在第三章中，基于推廣的惠更斯原理（表面等效原理），我們設計了由單層Si納米線陣列構成的高效率透過式1/4波片。我們分析了亞波長的Si納米線所支持的電偶極和磁偶極共振模式，并分析了這兩種共振模式在高透過率的超表面

5、中所起的作用。利用共振過程中引入的突變相位及其對不同偏振入射光的依賴特性，我們設計了工作在通信波段的高效率的1/4波片。
　　在第四章中，我們設計了基于直立L型天線陣列的SPP耦合器。在圓偏振光的照射下，該耦合器可以激發(fā)單向傳播的SPP，并且借助入射光的偏振（左旋、右旋圓偏振光或線偏振光）可以調控SPP的傳播方向。我們介紹了近場耦合法激發(fā)SPP的基本原理以及若干實現(xiàn)單向SPP激發(fā)的方法，并著重介紹了圓偏振偶極激發(fā)單向SPP的原理，