太赫兹透射式全电介质超表面光束整形研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:libingyao2009
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太赫兹波由于非电离的光子能量和丰富的光谱信息等性质具有广阔的应用前景。在一些应用中,需要太赫兹光场满足特定的分布,因此进行太赫兹光束整形研究具有重要意义。超表面是一种由基底和二维超薄谐振器阵列组成的平面器件,能够在亚波长尺度上灵活地调控光束的振幅、相位和偏振状态,为光束整形技术提供了一种新的紧凑的方法。相比于反射式超表面,透射式超表面更加符合实际需求;相比于透射式单层等离子体超表面,透射式全电介质超表面具有更高的透射效率。目前,利用透射式全电介质超表面产生太赫兹特殊光束的报道还很少。因此,本论文设计了一系列基于波导效应的太赫兹透射式全电介质超表面,将正入射的太赫兹光束整形成了如下的特殊光束:用于测试天线的准平面波(振幅峰峰起伏度小于1 d B,相位峰峰起伏度小于10°)。为了解决二元振幅光栅整形方法能量利用率低的问题,将不同尺寸的硅圆柱排布在聚4-甲基-1-戊烯(TPX)基底上,设计了两种全电介质超表面,把入射的基模高斯光束分别在同轴和离轴方向上,整形成了能完全覆盖特定区域的准平面波。然后,结合三次样条插值法,研究了硅圆柱直径加工误差对整形结果的影响。用于在三维方向上捕获粒子的径向偏振窄环形光束。利用窄环形光阑对径向偏振光束进行强度调制的整形方法会引入巨大的能量损耗。因此,结合矢量衍射迭代算法,设计了一种由TPX基底和旋转的不同尺寸的矩形硅柱组成的全电介质超表面,把入射的准直的水平偏振高斯光束整形成了径向偏振窄环形光束。进一步地,设计了一种更有利于加工的全硅超表面,整形得到了不同参数的径向偏振窄环形光束,并分析了多种误差对全硅超表面整形结果的影响。用于粒子操控的超衍射极限焦斑。由两种材料组成的且能实现超衍射极限聚焦的超透镜和超轴棱锥增加了加工过程的复杂性。因此,根据双曲面形和锥形相位调制函数,分别设计了柱偏振全硅超透镜和超轴棱锥;达到了将入射的水平(或竖直)偏振平面波转换成径向(或角向)偏振光束的同时进行聚焦,得到半高全宽小于半波长的超衍射极限圆点状(或环状)焦斑的目的。接着,比较分析了不同数值孔径的柱偏振全硅超透镜和超轴棱锥的聚焦结果。用于生物医学的突然自聚焦光束。单频产生突然自聚焦环形艾里光束的透射式单层等离子体超表面具有较低的透射效率。因此,设计了四种透射效率更高的全硅超表面;通过改变排布在硅基底上的相同尺寸的矩形硅柱的旋转角,在较宽的频率范围内,把入射的水平偏振平面波分别整形成了竖直偏振的且能实现突然自聚焦的环形艾里光束和三种具有不同指数衰减因子的主环被遮挡的环形艾里光束。此外,对它们的传输特性进行了比较分析。
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