基于各向异性超材料的宽带偏振转换器件研究

摘要

圆偏振光在手性结构探测及三维立体显示方面具有重要应用。传统的方法是利用一定厚度的双折射晶体来实现线偏振光到圆偏振光的转换，但是由于双折射率较小导致器件体积很大，不利于与其他光学元器件进行片上集成。超材料表现出传统材料所不具有的奇特光学现象及材料特性，已经为实现高效偏振转换提供了许多种新奇的解决方案。具有模式双折射的各向异性超材料也可以用来实现线-圆偏振转换，但是两个正交方向的光波之间的相位差色散严重，导致工作带宽较窄。为了解决这个问题，本文提出，通过将两个相位差梯度相反的各向异性超材料结构集成在一起，来削弱相位差色散。结果表明利用该设计思路可以在宽频范围内实现π/2的相位延迟，进而实现宽频偏振转换。本文主要研究工作包括：
　　（1）利用金属-电介质多层板构成的各向异性超材料（AMM）在宽频范围内实现了线偏振光和圆偏振光之间的有效转换。长方形横截面的AMM波导阵列存在较大的模式双折射率，可以用来操控偏振态。研究了如何通过使用双层堆叠式AMM波导阵列来实现弱色散的相位差。两个不同AMM波导阵列引入的相位差及相位差梯度的符号相反，使得最终的相位延迟表现出弱色散。通过将AMM波导的传播特性与传输矩阵结合，从理论上推导并得出了实现透射波无色散相位差的条件。进一步，指出所设计的基于双层堆叠式AMM波导的1/4波片可在宽频范围内有效地将线偏振光转换为圆偏振光。此外，线偏振度近似等于1及线偏振角大致等于45°的频率范围与工作频率范围是一致的。这为开发太赫兹波段的实用偏振转换器提供了一个很有前景的方法。
　　（2）利用支持低频类表面波的金属栅（MG）阵列在宽频范围内实现了高效线-圆偏振转换并进行了实验验证。两个偏振方向正交的光波在MG阵列中的传播常数不同，因此MG阵列具有模式双折射。单个MG阵列只能实现窄带的线-圆偏振转换。通过数值仿真和实验测试研究了如何利用由两个不同的MG阵列组合而成的双层堆叠式MG阵列在宽频范围内实现常数π/2的相位延迟。两个不同MG阵列的引入的相位差及相位差梯度的符号相反，导致整体相位延迟在一段宽频范围内色散很弱。进一步指出，基于双层堆叠式MG结构的1/4波片可以在宽频范围内实现线偏振光和圆偏振光之间的有效转换。数值计算结果表明，在远离截止频率处，不同偏振态的光波的透射系数近似相等且保持在较大值，因此在工作频率范围内线偏振度近似等于1、线偏振角近似等于45°。实验测试结果与数值仿真吻合较好，证明双层堆叠式MG阵列可以实现宽带高效线-圆偏振转换。这为解决其他超材料结构实现的偏振控制器件带宽较窄的问题提供了有价值的方法。

目录

声明

1 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 超材料简介

1.3 超材料研究进展

1.4 课题研究内容及创新点

2 时域有限差分算法

2.1 引言

2.2 直角坐标系三维FDTD公式

2.3 数值稳定性及PML边界条件

2.4 FDTD Solutions使用简介

2.5 本章小结

3 基于各向异性超材料波导阵列的宽带1/4波片

3.1 引言

3.2 AMM波导阵列传输特性

3.3 理论模型推导

3.4 双层AMM阵列的宽带1/4波片

3.5 性能稳定性分析

3.6 本章小结

4 基于类表面波的微波宽带1/4波片设计

4.1 引言

4.2 MG阵列传输特性

4.3 双层MG阵列的宽频1/4波片

4.4 实验结果与分析

4.5 本章小结

5 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 课题展望

致谢

参考文献

附录1攻读学位期间发表论文目录