基于双曲色散超材料的艾里光束产生器件研究

论文摘要

艾里光束因其独特的光学性质,如无衍射、自弯曲加速和自愈合等特性,而具有许多重要潜在应用。传统的产生艾里光束的方法是利用空间光调制器和傅里叶变换透镜等,然而,这往往使得器件复杂而庞大,不利于高密度的光学器件集成。超材料通过调节反射/透射电磁波的振幅和相位,提供了一种前所未有的方法来产生艾里光束。本文中,我们提出利用双曲色散超材料的宽带双折射效应来产生宽带的线偏光艾里光束,以及利用双曲色散超材料通过传输相位和Pancharatnam-Berry相位相结合来产生圆偏光的艾里光束。实验测量结果与仿真结果符合很好,艾里光束的无衍射和自弯曲特性也都得到了验证。本文主要研究工作包括:（1）我们利用金属-电介质交替多层构成的双曲色散超材料（HMM）在宽频范围内实现了线偏光艾里光束的产生并进行了实验验证。长方形横截面的HMM波导阵列在宽带光谱范围内存在模式双折射率,使得透射电场正交分量的归一化振幅分布和相位分布在宽带光谱范围内保持不变。于是,当将不同旋转角度的HMM结构单元按初始的艾里函数振幅和相位分布排列后,在不同的入射波长下,归一化振幅分布和相位分布仍能满足初始的艾里函数分布。我们设计出了微波波段和近红外波段的艾里光束产生器,仿真结果表明它们的透射效率高于10%的光谱范围分别是7.29.6 GHz和1.252.4μm。我们在微波波段进行了实验验证,发现在7.29.6 GHz的频率范围内,艾里光束都能很好地产生,无衍射和自弯曲的测量结果也与仿真结果一致。此外,我们对近红外波段的艾里光束产生器进行了误差分析,结果表明HMM艾里光束产生器对实验制备误差有较大的容忍度。（2）我们利用HMM波导阵列实现了圆偏光艾里光束的产生并进行了实验验证。HMM波导阵列的模式双折射率会随横截面参数的变化而变化。因此,改变HMM结构单元的横截面参数可得到不同的透射振幅。根据Pancharatnam-Berry（PB）相位原理,HMM结构单元的旋转角度改变时,透射相位会发生变化。于是,将不同横截面参数和不同旋转角度的HMM结构单元按初始的艾里函数振幅和相位分布排列后,我们设计出了微波波段和近红外波段的圆偏光艾里光束产生器,它们分别表现出33.2%和32.5%的较高透射效率。我们也在微波波段进行了实验验证,发现在入射频率8.6 GHz处,艾里光束能很好地产生,且无衍射和自弯曲的测量结果也与仿真结果一致。

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文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李会会

导师: 陈林

关键词: 双曲色散超材料,金属电介质多层结构,艾里光束

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 华中科技大学

分类号: O482.3

DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.004365

总页数: 66

文件大小: 2743K

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