基于金属微孔阵列的衍射聚焦效应研究

摘要

光场衍射是光波动的基本特性，空间有限的光场在传播过程中会产生衍射行为，使得光场逐渐展宽。如何有效调控光场的衍射行为对光学远距离通信、光学超分辨、微纳颗粒操控等有着重要的意义。前期，研究者通过振幅调控、相位调控、振幅位相联合调控的方法对光场衍射行为进行调控，产生了新颖的空间结构光场，如无衍射贝塞尔光场、自加速艾里光场；同时，还实现了光场的衍射聚焦效应，所获得的聚焦光斑甚至可以突破光学衍射极限。然而，前期研究所涉及的结构复杂，结构单元尺寸为亚波长量级，这极大地增加微纳加工的难度。为此，本论文提出一种微纳结构单元来实现光场的衍射聚焦行为，所设计的微结构单元尺寸远超亚波长范围，极大地降低了器件加工的成本和难度。具体地，本论文的研究内容包括：　　第一，研究了周期微孔阵列诱导的衍射聚焦行为。首先，本论文研究了平面波经过具有锐利边缘的狭缝结构后的衍射行为，观察到显著的衍射聚焦现象。这种现象是由锐边狭缝衍射诱发其高阶成分相干叠加而成的，区别于传统的衍射发射行为。在此基础上，本论文进一步研究了具有周期狭缝阵列结构以及二维小孔阵列结构的光场衍射行为，研究发现，周期阵列结构所诱导的衍射光场出现塔博效应，这种效应导致光场无法在平面内形成单一的衍射聚焦光斑；进一步，当入射光场受到特定相位调制时，经过微孔阵列的衍射光场将形成极小尺度聚焦光斑，其大小为亚波长量级。　　第二，研究了非周期微孔阵列诱导的衍射聚焦效应。本论文将基于沃格尔螺旋线设计出具有空间非周期分布的微孔阵列结构，并在实验中基于100nm厚的金属薄膜制备出该结构样品。理论和实验研究表明，这种结构所对应的傅立叶频谱是连续的，且具有圆对称分布。这种特有的性质将使得衍射光场在聚焦平面内形成单一的聚焦光斑，其聚焦光斑大小依赖说结构样品的尺寸；研究发现，该结构样品具有宽波带响应特性：实验中采用波长范围为450nm，632.8nm和670nm三种波长，均观察到单一的衍射聚焦光斑；此外，研究还发现，光场在传播过程中，由于受到沃格尔螺旋线的调制，衍射光场诱导出局部轨道角动量，这使得衍射光场在传播过程中其能量发生旋转。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 光场的衍射行为

1.2 金属微纳孔结构的光学性质

1.2.1 异常透射

1.2.2 法诺共振

1.2.3 衍射聚焦

1.3 衍射聚焦的应用

1.3.1 超分辨应用

1.3.2 光学拓扑荷测量

1.3.3 光镊应用

1.4 本论文选题依据与具体内容及安排

第二章 金属薄膜上的周期阵列结构的衍射行为

2.1 一维狭缝阵列结构的光场衍射行为

2.1.1 亥姆霍兹波动方程

2.1.2 振幅调制型狭缝阵列结构

2.1.3 引入相位调制型结构

2.2 二维微孔阵列结构的光场衍射行为

2.2.1 理论公式推导

2.2.2 周期阵列Talbot效应

2.3 本章小结

第三章 非周期小孔阵列的衍射聚焦效应

3.1 Vogel理论

3.2 基于Vogel理论设计非周期小孔阵列

3.3 傅里叶分析

3.4 基于Vogel阵列的衍射聚焦效应

3.5 本章小结

第四章 总结与展望

4.1 对本论文内容的总结

4.2 对本论文的展望

参考文献

附录 攻读硕士期间的科研论文成果

致谢