基于亞波長(zhǎng)金屬結(jié)構(gòu)的波分復(fù)用和手性調(diào)制研究.pdf

1、表面等離子體光學(xué)主要研究亞波長(zhǎng)金屬結(jié)構(gòu)的特異電磁響應(yīng)，通過(guò)調(diào)節(jié)和控制金屬與介質(zhì)界面處表面等離子體激元的激發(fā)與傳播，進(jìn)行各種新穎的光學(xué)調(diào)控功能性器件的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)。此類(lèi)器件具有高性能、小體積、易調(diào)控和易集成等優(yōu)點(diǎn)，在近年來(lái)得到廣泛的研究關(guān)注。亞波長(zhǎng)金屬結(jié)構(gòu)與光場(chǎng)的耦合具有復(fù)雜的光與物質(zhì)相互作用機(jī)制，將因金屬結(jié)構(gòu)的介電常數(shù)、幾何形狀和尺寸參數(shù)以及入射光的波長(zhǎng)和偏振態(tài)等表現(xiàn)出各異的共振響應(yīng)，但現(xiàn)有的光場(chǎng)和光譜調(diào)控器件仍未能充分利用亞波長(zhǎng)金屬結(jié)構(gòu)

2、的色散性質(zhì)和手性調(diào)制性質(zhì)。手性對(duì)應(yīng)于鏡像對(duì)稱(chēng)性，入射光偏振態(tài)、結(jié)構(gòu)的幾何特征和電磁共振模式等都可能具有手性。
　　本論文首先從對(duì)自由空間光場(chǎng)的波前調(diào)控出發(fā)研究了基于亞波長(zhǎng)金屬結(jié)構(gòu)的波分復(fù)用和圓偏振光手性復(fù)用的一維和二維衍射光學(xué)元件，以展示色散性質(zhì)和圓偏振光手性調(diào)制性質(zhì)可有目的性地被人工操控以設(shè)計(jì)功能性器件。繼而從光譜調(diào)制出發(fā)研究了具不同手性的對(duì)稱(chēng)破缺亞波長(zhǎng)金屬結(jié)構(gòu)及其中具不同手性位移電流分布的磁共振模式在不同入射光偏振態(tài)、入射角和

3、偏轉(zhuǎn)角度下表現(xiàn)出的共振特性。主要的研究?jī)?nèi)容概括如下：
　　基于亞波長(zhǎng)金屬－介質(zhì)－金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的可見(jiàn)光波段波分復(fù)用一維聚焦器件。使用不同寬度波導(dǎo)結(jié)構(gòu)波前調(diào)制的色散性質(zhì)，利用模擬退火算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了在自由傳播空間中將不同波長(zhǎng)的入射光聚焦到指定觀(guān)測(cè)平面不同位置的分波長(zhǎng)聚焦器件，通過(guò)全波數(shù)值模擬驗(yàn)證了設(shè)計(jì)結(jié)果。該器件避免了復(fù)雜的諧振腔結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)波分功能，為光路由等器件提供了一種潛在的設(shè)計(jì)方案。
　　基于C形亞波長(zhǎng)金屬天線(xiàn)的太赫茲波段波

4、分復(fù)用和圓偏振光手性復(fù)用計(jì)算全息二維顯示器件。優(yōu)化改進(jìn)了模擬退火算法，使用具不同半徑大小和開(kāi)口角度的C形金屬天線(xiàn)波前調(diào)制單元，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了在同一觀(guān)測(cè)面上依照入射光的不同波長(zhǎng)而顯示出不同字符圖案的波分復(fù)用全息編碼器件；利用相同半徑和開(kāi)口角度但不同旋轉(zhuǎn)方向的C形亞波長(zhǎng)金屬天線(xiàn)波前調(diào)制單元，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了在同一觀(guān)測(cè)面依入射圓偏振光手性不同而再現(xiàn)出不同字符圖案的手性復(fù)用全息編碼器件。通過(guò)樣品制作和實(shí)驗(yàn)表征驗(yàn)證了設(shè)計(jì)結(jié)果。此類(lèi)復(fù)用型器件充分利用了每個(gè)金

5、屬天線(xiàn)的波前調(diào)制特性，為進(jìn)一步推廣到可見(jiàn)光波段基于紅綠藍(lán)三原色復(fù)用設(shè)計(jì)高效的彩色顯示微器件和基于空間光場(chǎng)強(qiáng)度探測(cè)的圓偏振光手性鑒別器件開(kāi)發(fā)提供了理論基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)方法。
　　具不同對(duì)稱(chēng)破缺手性的平面金屬納米顆粒四聚體結(jié)構(gòu)中可見(jiàn)光波段磁共振模式的增強(qiáng)和圓二色向性。基于準(zhǔn)靜態(tài)矢勢(shì)多極模式展開(kāi)方法和耦合模式理論，研究了利用對(duì)稱(chēng)破缺的手性對(duì)磁共振模式進(jìn)行增強(qiáng)的機(jī)制，并據(jù)此提出和分析了具不同對(duì)稱(chēng)破缺手性的四聚體結(jié)構(gòu)在圓偏振光入射下的圓二色向性。

6、該結(jié)果揭示了可利用結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)破缺的手性進(jìn)行基于光譜調(diào)制的光學(xué)活性、光學(xué)磁性材料的研究。
　　對(duì)稱(chēng)破缺亞波長(zhǎng)平板金屬開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)中具不同手性位移電流分布的磁共振模式在太赫茲波段的激發(fā)與調(diào)制。研究了由對(duì)稱(chēng)破缺的緊鄰金屬圓弧組成的周期陣列中磁共振模式在不同偏轉(zhuǎn)角度的線(xiàn)偏振光激勵(lì)下環(huán)狀位移電流表現(xiàn)出的不同手性，并使之與電共振模式耦合得到了同時(shí)具有高Q值和高品質(zhì)因子的Fano共振峰位。該超材料器件為太赫茲生物薄膜傳感器、非線(xiàn)性效應(yīng)等領(lǐng)域的研

7、究提供了一種兼具高Q值和高品質(zhì)因子的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。
　　綜上，在本論文中使用解析公式、數(shù)值計(jì)算模擬以及樣品制作與實(shí)驗(yàn)表征等方法，實(shí)現(xiàn)了波分復(fù)用和圓偏振光手性復(fù)用的光場(chǎng)調(diào)控器件，驗(yàn)證了波前調(diào)制單元的數(shù)值建模、光場(chǎng)衍射傳播計(jì)算、優(yōu)化算法改進(jìn)、樣品制作工藝和成像系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量等各環(huán)節(jié)的可靠性。此外結(jié)合理論和實(shí)驗(yàn)方法從光譜的角度分析了具不同對(duì)稱(chēng)破缺手性的亞波長(zhǎng)金屬結(jié)構(gòu)中在不同線(xiàn)偏振方向、入射角和圓偏振光手性照射光激勵(lì)下磁共振模式的產(chǎn)生與調(diào)制，并