基于人工超表面的正交圓偏振光轉換器研究.pdf

1、人工超材料是當今國際人員最為關注的熱點問題，借助于恰當?shù)慕Y構設計，能夠展現(xiàn)出天然材料所不具備的神奇物理特性。針對一類特征結構尺寸小于一個波長的更薄的超材料，人們稱之為超表面。因其在厚度維度上具有的尺寸優(yōu)勢，極大地壓縮了基于超表面的光學器件空間尺寸，從而引領芯片級光學器件及系統(tǒng)邁向超集成化與超大規(guī)模集成的技術發(fā)展道路。本論文基于人工超材料技術，設計特殊結構超表面實現(xiàn)正交圓偏振光的高效率偏振光轉換，發(fā)展超薄光學波片和偏振轉換器等平面功能器件

2、。
　　本論文綜述了課題研究背景和人工超表面技術的發(fā)展及現(xiàn)狀，總結了當前在超表面技術方面已取得的令人振奮的諸多研究成果。針對Comsol Multiphysics電磁仿真軟件，探討并論證了實際應用中需要注意的關鍵問題。提出并論證了采用四個端口邊界條件對超表面結構進行數(shù)值仿真的方法，相比于傳統(tǒng)的電場強度歸一化做比方法更為簡便有效。采用瓊斯矩陣分析了不同結構類型的透射光偏振本征態(tài)，指出了關于z軸 C4對稱結構的超表面不能獲得透射型圓偏

3、振光轉換。針對6種簡單結構的超表面，分析討論了正交圓偏振光偏振轉換特性及轉換效率等問題。
　　采用Z字型結構超表面，研究了透射型和反射型圓偏振光正交偏振轉換特性。針對透射型圓偏振轉換，改變超表面的平面幾何特征尺寸、晶格常數(shù)、厚度、層數(shù)和入射光角度等可控制參數(shù)，分析了透射圓偏振光的正交偏振轉換性能的變化，以及偏振轉換效率對可控制參數(shù)的依賴。在一定的范圍內，增大平面尺寸結構占晶格截面面積的比重，可以提高圓偏振光的正交偏振轉換效率，同時

4、獲得更大的工作帶寬。增大超表面厚度或采用多層結構，透射光的正交圓偏振轉換效率亦有明顯提升。相比于斜入射情況，采取正入射方式可使Z型結構超表面獲得最高的正交偏振轉換效率。針對反射型正交圓偏振轉換，分析了基質種類和厚度、幾何特征尺寸、金層厚度等參量在偏振轉換功能設計上的作用，探索有效提高偏振轉換效率的方案。選用較低折射率的基質材料，可以改善反射光的圓偏振轉換效率，但工作帶寬有所減小。優(yōu)化Z型結構的幾何特征尺寸可以提高反射圓偏振光的轉化效率。