基于偏振不敏感型超表面的结构光束产生与聚焦特性研究

来源 :南京理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:blueblacktzb
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近些年来,结构光束由于具有一些不同于传统光源的重要特性受到了越来越多的关注,但是目前结构光束的产生、聚焦、调控往往都需要复杂、昂贵、庞大的光学系统来实现。为了给这些问题寻找可能的解决方案,本文将超表面与结构光束相结合,利用了偏振不敏感型超表面灵活的相位调控能力、对多偏振的广泛适用特性和超表面本身的超薄易集成的优势,通过仿真设计了多个超表面,产生或调控了多种特殊的光场,并对光场的强度、偏振、聚焦性能等进行了分析和优化,为结构光束的产生与聚焦提供了一种高性能、高效率、平面化的超表面方案。本文主要基于有限时域差分方法(FDTD),通过改变空间各向同性纳米柱的尺寸来实现局部有效折射率的变化从而实现偏振不敏感的相位调控,完成了多种光学涡旋的产生、径向偏振光的紧聚焦和基于角向涡旋光束聚焦的光学针的产生三部分工作。首先,我们实现了基于偏振不敏感型超表面的普通涡旋光束、矢量涡旋光束、聚焦涡旋光束和贝塞尔涡旋光束的产生。我们通过扫描单元结构中纳米柱的半径获取半径与相位改变和透射效率改变的关系为超表面设计提供依据,然后根据相位公式排布纳米柱完成超表面的构建。我们验证了所设计超表面的偏振不敏感特性,对产生光学涡旋的场强、相位、偏振等特性进行了分析与评价,并与理论分布进行了对照应证。然后,我们研究了基于偏振不敏感型超透镜的径向偏振光紧聚焦。我们验证了所设计超透镜的偏振不敏感特性,通过对径向偏振光聚焦场电场分量的分析提出了优化紧聚焦的方案,研究了数值孔径和环形孔径等因素对径向偏振光聚焦斑点尺寸的影响,对聚焦结果进行了分析与评估,最终实现了衍射极限的聚焦。最后,我们研究了基于偏振不敏感型超表面的角向涡旋光束聚焦光学针的产生。我们通过改造聚焦相位公式使角向涡旋光束可以聚焦在一个狭长的区域,并通过超表面实现了这种相位调控;然后又通过引入环形孔径的方法扩展焦深,最终产生了具有亚衍射极限宽度并有较长焦深的光学针,并研究了产生光学针的偏振特性。本论文的工作将结构光束的产生与聚焦同超表面相结合,使超表面轻巧灵活的优势可以充分显现,而超表面完善的光场调控能力又保证了结构光束可以被高质量、高效率地调控,本论文中的研究在光通信、高分辨率成像、粒子操控等众多领域都有潜在贡献。
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