基于亚波长金属结构的波分复用和手性调制研究

摘要

表面等离子体光学主要研究亚波长金属结构的特异电磁响应，通过调节和控制金属与介质界面处表面等离子体激元的激发与传播，进行各种新颖的光学调控功能性器件的开发与设计。此类器件具有高性能、小体积、易调控和易集成等优点，在近年来得到广泛的研究关注。亚波长金属结构与光场的耦合具有复杂的光与物质相互作用机制，将因金属结构的介电常数、几何形状和尺寸参数以及入射光的波长和偏振态等表现出各异的共振响应，但现有的光场和光谱调控器件仍未能充分利用亚波长金属结构的色散性质和手性调制性质。手性对应于镜像对称性，入射光偏振态、结构的几何特征和电磁共振模式等都可能具有手性。
　　本论文首先从对自由空间光场的波前调控出发研究了基于亚波长金属结构的波分复用和圆偏振光手性复用的一维和二维衍射光学元件，以展示色散性质和圆偏振光手性调制性质可有目的性地被人工操控以设计功能性器件。继而从光谱调制出发研究了具不同手性的对称破缺亚波长金属结构及其中具不同手性位移电流分布的磁共振模式在不同入射光偏振态、入射角和偏转角度下表现出的共振特性。主要的研究内容概括如下：
　　基于亚波长金属－介质－金属波导结构的可见光波段波分复用一维聚焦器件。使用不同宽度波导结构波前调制的色散性质，利用模拟退火算法设计实现了在自由传播空间中将不同波长的入射光聚焦到指定观测平面不同位置的分波长聚焦器件，通过全波数值模拟验证了设计结果。该器件避免了复杂的谐振腔结构以实现波分功能，为光路由等器件提供了一种潜在的设计方案。
　　基于C形亚波长金属天线的太赫兹波段波分复用和圆偏振光手性复用计算全息二维显示器件。优化改进了模拟退火算法，使用具不同半径大小和开口角度的C形金属天线波前调制单元，设计实现了在同一观测面上依照入射光的不同波长而显示出不同字符图案的波分复用全息编码器件；利用相同半径和开口角度但不同旋转方向的C形亚波长金属天线波前调制单元，设计实现了在同一观测面依入射圆偏振光手性不同而再现出不同字符图案的手性复用全息编码器件。通过样品制作和实验表征验证了设计结果。此类复用型器件充分利用了每个金属天线的波前调制特性，为进一步推广到可见光波段基于红绿蓝三原色复用设计高效的彩色显示微器件和基于空间光场强度探测的圆偏振光手性鉴别器件开发提供了理论基础和设计方法。
　　具不同对称破缺手性的平面金属纳米颗粒四聚体结构中可见光波段磁共振模式的增强和圆二色向性。基于准静态矢势多极模式展开方法和耦合模式理论，研究了利用对称破缺的手性对磁共振模式进行增强的机制，并据此提出和分析了具不同对称破缺手性的四聚体结构在圆偏振光入射下的圆二色向性。该结果揭示了可利用结构对称破缺的手性进行基于光谱调制的光学活性、光学磁性材料的研究。
　　对称破缺亚波长平板金属开口谐振环结构中具不同手性位移电流分布的磁共振模式在太赫兹波段的激发与调制。研究了由对称破缺的紧邻金属圆弧组成的周期阵列中磁共振模式在不同偏转角度的线偏振光激励下环状位移电流表现出的不同手性，并使之与电共振模式耦合得到了同时具有高Q值和高品质因子的Fano共振峰位。该超材料器件为太赫兹生物薄膜传感器、非线性效应等领域的研究提供了一种兼具高Q值和高品质因子的设计实现。
　　综上，在本论文中使用解析公式、数值计算模拟以及样品制作与实验表征等方法，实现了波分复用和圆偏振光手性复用的光场调控器件，验证了波前调制单元的数值建模、光场衍射传播计算、优化算法改进、样品制作工艺和成像系统实验测量等各环节的可靠性。此外结合理论和实验方法从光谱的角度分析了具不同对称破缺手性的亚波长金属结构中在不同线偏振方向、入射角和圆偏振光手性照射光激励下磁共振模式的产生与调制，并建立了对应的解释模型，为进一步研究手性的丰富光学性质等提供了方法与手段。

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第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 基于亚波长金属结构的波分复用研究进展

1.3 基于亚波长金属结构的手性调制研究进展

1.4 当前研究中尚待深入研究的问题

1.5 本课题研究内容和研究意义

第2章 基于金属-介质-金属亚波长波导阵列的波分复用型一维聚焦器件

2.1 引言

2.2 波分复用聚焦器件的设计实现

2.3 讨论

2.4 本章小结

第3章 基于亚波长金属天线结构的波分复用和圆偏振光手性复用太赫兹超表面器件

3.1 引言

3.2 波分复用太赫兹计算全息超表面器件

3.3 圆偏振光手性复用太赫兹计算全息超表面器件

3.4 讨论

3.5 本章小结

第4章 金属纳米颗粒四聚体团簇结构中对称破缺的手性致环磁共振模式的增强和圆二色向性

4.1 引言

4.2 超分子中环磁共振模式的增强

4.3 耦合模式理论解释

4.4 超分子结构中的圆二色向性

4.5 关于相邻颗粒间距选择问题的讨论

4.6 本章小结

第5章 太赫兹波段对称破缺亚波长金属开口谐振环结构中磁共振模式不同手性的激发与调制

5.1 引言

5.2 具相反手性磁共振模式的激发和调制

5.3 开口谐振环的实验研究

5.4 关于太赫兹时域光谱系统频谱分辨率的讨论

5.5 本章小结

结论

参考文献

附录A 本论文使用的数值计算和仿真模拟

A.1 设计方法–模拟退火算法的优化

A.2 亚波长C形金属天线波前调制的数值模拟

A.3 金属纳米颗粒团簇的准静态矢势多模展开方法的全波数值模拟

攻读博士学位期间发表的论文及其他成果

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