基于亚波长硅波导阵列的透射光场波前调控

摘要

光学超表面由于亚波长的特征尺寸、自然材料无法实现的传输特性，其概念一经提出，就迅速成为光学集成、平面光学器件研究领域的热门。而基于全电介质材料的光学超表面的提出，由于避免了金属材料的欧姆损耗，将透射型超表面拓展到了可见光和近红外波段。
　　超表面设计的关键，在于结构单元的选择。目前大部分电介质超表面结构单元的设计都是基于米散射理论或几何相位。我们创新性地引入亚波长硅波导作为超表面的结构单元，通过理论计算和数值模拟研究1550 nm波长下对透射光场的波前调控。
　　我们首先研究了基于二维亚波长硅波导阵列的电介质超表面。我们分析了用二维亚波长硅波导做超表面结构单元的可行性，实现了垂直入射线偏振平面波的偏折和近衍射极限会聚，并巧妙地将这二者结合实现了光束的偏折会聚。此外，我们着重考察了二元光学的典型器件—达曼光栅，并在该部分探讨了一维达曼光栅的设计，在远场得到了1×5衍射点阵。
　　之后我们将二维结构拓展到三维，研究了基于三维亚波长硅波导（即矩形波导）阵列的电介质超表面。我们详细讨论了三维亚波长硅波导的光学传输和共振特性，并论证了用三维亚波长硅波导做超表面结构单元的可行性。之后，我们设计了将垂直入射线偏振平面波转换为拓扑荷为1的涡旋光束的超表面，并考察了其与平面波的干涉情况。最后，我们设计了在远场产生5×5等光强衍射点阵的偏振独立达曼光栅，并证明了该达曼光栅具有宽带响应和对制造误差具有鲁棒性的特点。

目录

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 电介质超表面的研究现状

1.3 电介质超表面设计的基本理论

1.3.1 米散射和偶极共振

1.3.2 PB相位和琼斯矩阵

1.3.3 电介质波导

1.4 本文主要研究内容

第2章 二维亚波长硅波导阵列

2.1 二维亚波长硅波导的有效折射率

2.2 二维亚波长硅波导阵列实现光束偏折

2.3 二维亚波长硅波导阵列实现光束会聚

2.4 二维亚波长硅波导阵列实现光束偏折会聚

2.5 二维亚波长硅波导阵列实现达曼光栅功能

2.5.1 达曼光栅基本原理

2.5.2 基于二维亚波长硅波导阵列的达曼光栅

2.6 本章小结

第3章 三维亚波长硅波导阵列

3.1 三维亚波长硅波导的有效折射率

3.1.1 马卡提里近似法

3.1.2 三维亚波长硅波导的传输特性

3.2 三维亚波长硅波导阵列产生涡旋光束

3.2.1 涡旋光束基本概念

3.2.2 基于三维亚波长硅波导阵列的涡旋光束产生

3.2.3 涡旋光束的验证

3.3 三维亚波长硅波导阵列实现达曼光栅功能

3.3.1 二维达曼光栅设计

3.3.2 二维达曼光栅的光学特性评估

3.3.3 达曼光栅的宽带响应和鲁棒性分析

3.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果

声明

致谢