介质型超表面光学元件及其应用研究

论文摘要

超表面结构是一种人工排布的亚波长微结构阵列,每个微结构可被看成是一个电磁波调控单元,可以实现电磁波相位、振幅、偏振等特性的有效操控,因而超表面结构可用于构建整体任意波阵面,显示其具有优异的电磁波操纵能力。相对于传统光学元件通过电磁波在介质中传播产生相位累积的方式而言,超表面结构利用微纳结构阵列与电磁波的相互作用实现对电磁波波前的控制,因此所构建的光学元件十分轻薄,且具有实现多样复杂功能的潜力,可用于满足现代光学系统集成化和小型化的需求。虽然目前超表面结构光学元件的研究工作成绩斐然,但是在宽波段消色差、多功能元件以及集成化应用等方面还有待拓展和深入。本论文通过建立基于介质型超表面结构的电磁波调控新型理论,在上述方面开展了相关研究工作,并且取得了如下研究成果:（1）对长波红外波段以及可见光至近红外波段的消色差超表面相关理论进行了研究。从原理上分析了实现色差消除的必要条件,建立了构建宽波段消色差超表面光学元件的基本理论和实现方法。在此基础上,通过理论计算和数值仿真实现了长波红外波段以及可见光至近红外波段的两种消色差超表面聚焦透镜。（2）提出了由布拉格反射层-超表面-布拉格反射层-超表面组成的混合型平面光学结构。该结构兼具特定波长电磁波选择和波前操纵的能力。基于此结构设计并且制作出了具有滤波和聚焦双功能的超表面光学器件,可用于实现集成化的光谱探测系统。进一步利用交叉排布的混合型结构单元,构建出了一种空间复用型的超表面光学元件。该元件能无串扰地操控多波长电磁波,同时实现电磁波聚焦和偏折两种光学功能。（3）设计出了亚波长光栅和圆柱阵列型的正负超表面微透镜阵列。采用电子束曝光（EBL）和电感耦合等离子体（ICP）刻蚀工艺进行了阵列元件的制作,并且对制作得到的聚焦型超表面微透镜阵列进行了光学测试。同时分析了由正负超表面微透镜阵列组成的伽利略型共焦光学系统对电磁波的调控原理,构建了超表面微透镜阵列型光学扫描器模型,基于理论计算得到了扫描器结构参数的限制条件。（4）提出了一种覆盖中长波红外波段的多通道超表面透镜阵列的设计方法。并针对乙醇、氨气、乙烯三种气体的红外吸收传感应用,设计并且制作出了将四种红外波长的电磁波（对应于三种气体的红外吸收峰和一种参考波长）会聚到同一焦平面的多通道超表面透镜阵列。进一步,提出了由表面等离子体滤波器阵列、多通道超表面透镜阵列和红外探测器阵列三个主要部分集成的红外光谱探测器方案,并初步开展了各个部件的仿真设计和实验制备等工作,为发展集成式多组分红外气体传感器奠定了技术基础。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 汪绍武

导师: 孙军强,赖建军

关键词: 超表面,相位调控,亚波长微纳结构,光学元件,消色差超透镜

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,物理学,无线电电子学

单位: 华中科技大学

分类号: O441.4;O439

DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.004989

总页数: 132

文件大小: 22054k

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