基于超颖表面的光束聚焦和矢量光场产生

摘要

光作为信息的载体，其基本性质中的频率、振幅、相位早己被深入研究并在各个领域得到广泛应用。偏振是光的基本属性，用来表现其矢量状态，对光的特性起着重要的作用，而相位是光波的基本物理参量。伴随着微纳米技术的高速发展，以亚波长为尺度的光学器件加工起来更容易实现。如今比波长更薄的基于超颖表面的光学平板已经可以取代传统的组件对光线进行聚焦、波前控制和偏振控制。本文简要阐述了传统的产生矢量光束的方法，并且讨论了之前的研究关于使用超颖表面来代替传统方法实现矢量光束的可行性，分析了亚波长结构超颖表面对输入光场的调控机理，研究了基于超颖表面来进行光束聚焦及其对于矢量光场的偏振态、振幅及传输相位和几何相位的调控。 首先，基于超颖表面的宽波带光束聚焦，结合传输相位调控理论和广义折反射定律，验证了通过调整表面基元占空比改变等效折射率的可行性。所以，设计了一种SiO2基底上椭圆Si柱基元的超颖表面，通过调整线宽改变等效折射率，从而改变穿过电磁波的传输相位，研究并获得了该超颖表面对不同波长光束聚焦的规律。与之前的结构相比，这种新型的超颖表面适用于宽波带光束聚焦的情况。 其次，基于超颖表面的柱矢量光束产生，阐述了Pancharatnam和Berry的几何相位理论，分析了通过传输相位和几何相位调控矢量光束的可行性。对SiO2基的椭圆Si柱基元的超颖表面进行了进一步研究，通过综合调整线宽和长轴的倾角，对传输相位和几何相位进行调控，研究并获得了该超颖表面对不同波长及不同偏振线偏振光束的调控数据。这种新型的超颖表面可以适用于宽波带红外光场的矢量化调控情况。

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1.1 矢量光束的性质和特性

1.2 矢量光束的产生方法

1.2.1 腔内产生法

1.2.2 腔外产生法

1.3 矢量光束的应用

1.3.1 捕捉和操控粒子

1.3.2 金属切割

1.3.3 光学存储

1.4 本论文研究的主要内容

2.1 超颖表面

2.2.1 基于超颖表面的柱矢量光场的产生

2.2.2 基于亚波长光栅的矢量光场的产生

2.2.3 基于超颖表面的轨道角动量光束产生

2.3 本章总结

3.1 超颖表面传输相位调控理论

3.2 基于超颖表面的聚焦调控

3.2.1 单一波长下，Dx和Dy改变对光斑大小和透射率的研究

3.2.2 在Dx和Dy一定的情况下，波长对于光斑大小和透射率的影响

3.2.2.1 Dx=0.1μm和Dy=0.2μm的椭圆非晶Si柱的超表面

3.2.2.2 Dx=0.15μm和Dy=0.3μm的椭圆非晶Si柱的超表面

3.3 本章总结

4.1 超颖表面几何相位调控理论

4.2 基于超颖表面的柱矢量光束模拟

4.3 本章总结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致 谢

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