基于超表面结构的等离子体偏振器件的研究

摘要

近些年平面、超薄的超表面快速发展并展现出前所未有的光束调控能力，这将为集成电路、平面显示、超分辨率成像、数据存储、光学隐身、量子信息处理等诸多领域提供一系列性能更高、功能更强的新型超薄光学器件。因此，对超表面特性及其实际应用的研究具有非凡的意义。本文根据PB相位的相关理论并借助FDTD仿真方法重点研究了适用于圆偏振光的超表面的特性。具体研究内容如下:
　　(1)提出一种由金属矩形开口共振环阵列组成的新型等离子体超表面。根据PB相位的基本原理，设计了基于超表面的圆偏振分析器，并实现了圆偏振光的分离与线偏振光的分解。为了方便快捷的获得所需的PB相位，只需要通过调制开口共振环的两个自由度来调节其光轴的方向。
　　(2)提出一种新型超表面结构，实现高效率偏振转化。借助数值仿真，设计了由矩形纳米孔构成且对线偏振光与圆偏振光均适用的高偏振转化率超表面。同时，该超表面还被用于针对圆偏振光的半波片完成圆偏振转化，以及用作四分之一波片来实现线偏振光到圆偏振光的转化。
　　(3)提出了一种新的超透镜设计方法，用于实现任意聚焦的功能。该方案将CGH方法与超表面对相位的调控能力相结合，提高了设计超透镜的能力。通过仿真手段设计并验证多种超透镜，例如轴上聚焦、离轴聚焦、两点聚焦与多点聚焦超透镜，展现出了超强的聚焦能力。
　　(4)提出了基于介质反射阵列的高效、宽带以及高偏振转化效率的超透镜。我们分别设计并验证了轴上聚焦、离轴聚焦与四点聚焦的超透镜，并通过仿真手段研究了超透镜的焦距随入射光波长变化的关系。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景与研究意义

1．2 超表面的研究进展

1．3 主要研究内容和章节安排

1．4 小结

第二章 超表面设计的基本理论

2．1 基于超表面的广义斯涅尔定律

2．2 Pancharatnam-Berry相位

2．3 超透镜的基本原理

2．3．1 基于等光程原则的相位计算

2．3．2 基于CGH方法的相位计算

2．4 本章小结

第三章 基于超薄矩形金属开口环阵列的圆偏振分析器

3．1 引言

3．2 仿真模型以仿真条件设置

3．3 PB相位的获得与结构几何参数的确定

3．4 仿真结果和讨论

3．5 本章小结

第四章 基于等离子体超表面的高效交叉偏振转化器

4．1 引言

4．2 理论分析与模拟仿真

4．3 仿真结果与讨论

4．4 本章小结

第五章 基于全息超表面的任意聚焦透镜

5．1 引言

5．2 等离子体超透镜的设计

5．3 仿真结果与讨论

5．4 基于全息介质反射式超表面的宽带、高效、任意聚焦透镜

5．4．1 基本理论与仿真模型

5．4．2 仿真结果与讨论

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况