基于全介質(zhì)和等離激元超表面的高性能可調(diào)波片研究.pdf

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1、博博博士士士學(xué)學(xué)學(xué)位位位論論論文文文基于全介質(zhì)和等離激元超表面的高性能可調(diào)波片研究HIGHPERFORMANCEWAVEPLATESWITHTUNABLEBIREFRINGENCEBASEDONALL-DIELECTRICANDPLASMONICMETASURFACESOwiti,EdgarOduor哈哈哈爾爾爾濱濱濱工工工業(yè)業(yè)業(yè)大大大學(xué)學(xué)學(xué)2018年年年04月月月國(guó)內(nèi)圖書分類號(hào)：O438學(xué)校代碼：10213國(guó)際圖書分類號(hào)：535密級(jí)：公開理理理學(xué)學(xué)學(xué)博博博士士士學(xué)學(xué)學(xué)位位位論論論文文文基于全介質(zhì)和等離激元超表面的高性能可調(diào)波片研究博士研究生：Owiti,EdgarOduo

2、r導(dǎo)師：孫秀冬教授申請(qǐng)學(xué)位：理學(xué)博士學(xué)科：物理學(xué)所在單位：物理系答辯日期：2018年04月授予學(xué)位單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)Classi?edIndex:O438U.D.C:535DissertationfortheDoctoralDegreeinScienceHIGHPERFORMANCEWAVEPLATESWITHTUNABLEBIREFRINGENCEBASEDONALL-DIELECTRICANDPLASMONICMETASURFACESCandidate:Owiti,EdgarOduorSupervisor:Prof.SunXiudongAcademicDegreeAp

3、pliedfor:DoctorofScienceSpecialty:PhysicsAliation:DepartmentofPhysicsDateofDefence:April,2018Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology摘要摘要電磁波電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量的正交振蕩效應(yīng)使其具備偏振特性。這種特性在許多領(lǐng)域中能夠得到有效應(yīng)用，如生物化學(xué)領(lǐng)域中的DNA傳感技術(shù)、攝影技術(shù)和全息成像技術(shù)、以及光通信和創(chuàng)傷的診斷治療技術(shù)等方面。在納米光子學(xué)領(lǐng)域，研究者們?cè)O(shè)計(jì)并研究了一系列可以實(shí)現(xiàn)偏振相關(guān)的光操控的超薄超材料和超

4、表面結(jié)構(gòu)。如平面透鏡、波片、以及分光器等納米結(jié)構(gòu)也可集成到各種光學(xué)系統(tǒng)和設(shè)備當(dāng)中。傳統(tǒng)的處理光波偏振態(tài)的方法是采用體塊波片來改變光的偏振態(tài)，這種體塊波片大多由多層波片組成，并且利用自然材料中的雙折射效應(yīng)實(shí)現(xiàn)其功能。目前，超材料以及超表面結(jié)構(gòu)的研究正在朝著工作波長(zhǎng)可調(diào)與開關(guān)狀態(tài)可切換的方向進(jìn)行。本文的研究?jī)?nèi)容即為設(shè)計(jì)可見光和近紅外波段的、具備可調(diào)諧雙折射特征的、高帶寬和高效率的四分之一波片超表面。天然水晶，如云母和方解石等，因其各向異性的雙折射率特性，可作為線性雙折射的傳輸介質(zhì)。然而，這類晶體具有帶寬較窄和體積較大的固有缺陷，因而限制了它們?cè)诠鈱W(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用和集成。而傳統(tǒng)的超

5、材料和超表面也存在尚未完全解決的難題，如雙折射的可調(diào)諧范圍較小與工作帶寬較窄等。因此本文設(shè)計(jì)了一種超薄的超表面結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有對(duì)特定偏振態(tài)入射光的截獲、局域和散射作用。通過改變超表面單元結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)與材料性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)這種超表面結(jié)構(gòu)雙折射的調(diào)節(jié)。另外，通過改變外部柵極電壓，還可以控制結(jié)構(gòu)單元材料的介電特性，并應(yīng)用這種方法在介質(zhì)超表面上實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)開關(guān)的功能?？偟膩碚f，即通過集成不同的材料來設(shè)計(jì)超表面結(jié)構(gòu)，以獲得能夠調(diào)控光的振幅、相位和偏振的特性。超表面偏振轉(zhuǎn)換器的研究中，最重要的挑戰(zhàn)圍繞在實(shí)現(xiàn)同時(shí)控制光相位、振幅與偏振特性。為了應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，之前的許多研究利用精密的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

6、來產(chǎn)生多重共振，每一個(gè)共振均可以獨(dú)立地對(duì)一定范圍內(nèi)的相位進(jìn)行調(diào)制。在本文中，除了調(diào)整結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)外，還利用包含石墨烯-硅混合的全介質(zhì)超表面和包含石墨烯-金屬的等離激元超表面分別實(shí)現(xiàn)了對(duì)上述光學(xué)特性的調(diào)制。之前的許多研究已經(jīng)表明相對(duì)于全介質(zhì)材料超表面，傳統(tǒng)的等離激元超表面具有更優(yōu)越的光學(xué)響應(yīng)特性。然而金屬固有的歐姆損耗較高，這導(dǎo)致等離激元超表面的透光效率相對(duì)于全介質(zhì)超表面低，尤其是在可見光頻率范圍內(nèi)。本文提出的全介質(zhì)-石墨烯混合超表面結(jié)構(gòu)具有顯著的光學(xué)偏振轉(zhuǎn)換特性，且?guī)缀醣苊饬藲W姆損耗。由于Mie共振和Kerker條件，作為惠更斯源的超表面介質(zhì)單元具有較高的散射光效率。應(yīng)用

7、論文中所提出的全介質(zhì)石墨烯超表面，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)95%的偏-I-HarbinInstituteofTechnologyDissertationforDoctoralDegreeinScience振轉(zhuǎn)換率，這表明超表面的雙折射特性得到了顯著地增強(qiáng)。而且，含石墨烯的混合超表面結(jié)構(gòu)可在中心波長(zhǎng)周圍30%內(nèi)實(shí)現(xiàn)四分之一波片的光學(xué)特性，而無石墨烯的全介質(zhì)超表面結(jié)構(gòu)的帶寬僅為8%。將光束縛在亞波長(zhǎng)尺度可大幅提高對(duì)光的操控效果。由于可以通過控制超表面的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)從而調(diào)節(jié)等離激元的雙折射特性，這使得超表面結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出傳統(tǒng)各向異性晶體