基于复合相位超表面的电磁调控原理及技术研究

摘要

电磁波是现代社会最主要的信息载体，但传统电磁波调控技术面临诸多瓶颈难题。超表面作为一种新兴膜层化电磁调控器件，能在平面上实现对电磁波振幅、相位、偏振态、频率等参数的自由调控，为实现轻量化、平面化和集成化的光学器件及系统提供了全新途径。特别的是，相位型超表面在平面成像、光通信、光存储等领域具有重要的应用前景，受到学术界极大的关注，是目前国际上光学和电磁学领域的研究前沿。　　本文在国家973计划和自然科学基金等项目的资助下，重点针对相位型超表面存在的功能单一、带宽受限、可调性差等问题，提出几何相位和传输相位复合的新原理，通过增加调控自由度，并结合两者在自旋、频率和材料方面的相关性，可有效解决上述瓶颈性问题，对推进超表面基础研究和实用化具有重要的科学及现实意义。　　本文对基于复合相位调制的超表面电磁调控原理、技术与方法开展了较为系统而深入的研究，其主要研究内容和创新点如下：　　①提出了非对称光子自旋-轨道相互作用新概念，从原理上解决了相位型超表面在圆偏振复用时效率低的问题。在此基础上，提出了两种复杂光场调控方法：其一是柱矢量光束生成与调控方法，可解决传统技术存在的系统复杂、效率低、同轴困难等问题；其二是圆偏振不对称传输与波前调控方法，首次利用单层结构同时实现两种功能，且手性响应的带宽和效率是目前公开报道单层结构的四倍以上，为偏振成像、手性探测等研究提供新自由度。　　②提出了高效率波前调控原理与方法，解决了相位型超表面的带宽受限难题。首先，提出了一种利用表面等离子激元实现高效率窄带波前调控原理；其次，提出了一种通过瞬时电场构建宽带、高效、广角波前调控超表面的逆向拓扑优化方法；最后，提出了一种基于多层结构的高效率宽带色散调控方法。上述研究对光谱成像、大视场高分辨成像、光谱分析等研究具有重要意义。　　③提出了一种基于相变材料和“多原子”结构的多态波前独立调控方法，从原理上解决了可调相位型超表面信息保真度低的问题。设计出可独立调控几何相位和传输相位的亚波长相变单元，通过两者的复合可极大地降低可调超表面的设计难度，且每个单元结构对所有功能均有积极贡献，并由此提出了光子角动量耦合对称切换的概念，在光学加密、保密通信等领域有广泛的应用前景。

目录

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 超表面概述

1.2.1 超表面的研究历史与现状

1.2.2 相位型超表面及分类

1.3 相位型超表面功能器件研究进展

1.3.1 圆偏振复用超表面

1.3.2 窄带与宽带波前调控超表面

1.3.3 波前可调谐超表面

1.4 存在的主要科学和技术问题

1.5 论文的研究内容和章节安排

2 复合相位超表面的理论基础

2.1 引言

2.2 广义折反射定律及其推导

2.3.1 传输相位

2.3.2 几何相位

2.3.3 复合相位

2.4 数值模拟方法

2.4.1 数值计算方法

2.4.2 矢量角谱理论

2.4.3 Gerchberg-Saxton算法

2.5 本章小结

3 基于复合相位的圆偏振复用技术

3.1 引言

3.2 非对称光子自旋-轨道相互作用原理

3.3 柱矢量光束生成与调控方法

3.3.1 基本原理

3.3.2 结构设计与分析

3.3.3 整体模型仿真与分析

3.4 圆偏振不对称传输与波前调控方法

3.4.1 基本原理与结构设计

3.4.2 圆偏振不对称传输响应表征与分析

3.4.3 圆偏振不对称传输与波前调控表征与分析

3.5 本章小结

4 基于复合相位的高效率窄带与宽带波前调控技术

4.1 引言

4.2 高效率窄带波前调控方法

4.2.1 基本原理与结构设计

4.2.2 结构色和多通道全息显示

4.2.3 实验测试与分析

4.3 高效率宽带广角波前调控方法

4.3.1 流线超表面设计原理

4.3.2 结构优化设计与分析

4.3.3 拓扑数据库建立

4.3.4 单片式广角超透镜设计

4.3.5 实验测试与分析

4.4 高效率宽带色散调控方法

4.4.1 基本原理

4.4.2 结构设计与分析

4.4.3 整体模型仿真与分析

4.5 本章小结

5 基于复合相位的可调谐波前调控技术

5.1 引言

5.2 光子角动量耦合对称切换概念及原理

5.3 多态可调超表面设计

5.3.1 GST材料参数表征

5.3.2 单元结构设计

5.3.3 单元结构排列方法

5.4.1 器件制备方法

5.4.2 实验测试与分析

5.4.3 GST相变对其结构尺寸的影响

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 主要工作总结

6.2 主要创新点

6.3 研究工作展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读学位期间取得的科研成果

C. 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目

D. 学位论文数据集

致谢