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    基于人工超表面的偏振调控研究

    李永久  
    【摘要】:作为电磁波的一种重要属性,偏振在对电磁波调控的研究中发挥着重要作用。偏振调控技术是一项非常重要的研究内容,在光通信、偏振成像、精密测量和生物传感等领域都有着重要的应用。抛开传统的偏振调控方法,基于人工超表面的偏振调控技术越来越受到人们青睐,该技术制备工艺简单、尺寸小、用途广,可在各波段灵活的调控电磁波的相位和幅值。本论文主要基于人工超表面设计了反射式和透射式偏振调控器件,具体研究成果概括如下:1)提出了两种工作在红外波段的反射式偏振调控器件,两种器件均为三层结构(金属-介质-金属)。第一个器件是含有“L”型天线的反射式半波片,第二个是含有双“L”型天线的四分之一波片。与传统的波片设计相比,所提出的四分之一波片是两个半波片的简单组合。从理论上分析了波片设计的可行性,并对两种波片的转换效率进行了仿真计算。所提出的半波片和四分之一波片具有高效性,且其工作带宽范围分别为1670-2791 nm和1592-3867 nm,半波片的宽带效应是由峰值决定,四分之一波片的宽带效应是由三个共振本征波长的叠加引起的。通过耦合振荡器模型和物理机理分析了半波片和四分之一波片工作机制。这种新的设计理念有利于新型偏振调控器件的实现。2)提出了两种工作在可见光波段的透射式多功能偏振调控器件。本成果的设计理念是将透射式波片与透射式双功能波前整形器件相结合,从而得到多功能偏振调控器件。其中,透射式波片与透射式双功能波前整形器件均为全介质结构,双功能器件可对x线偏振光和y线偏振光分别实现光束偏折和聚焦。根据波片的不同,多功能器件共分为两种:一种是结合半波片设计的多功能器件,该器件可将入射的y线偏振光转换为x线偏振光,并实现光束偏折,另外可将入射的x线偏振光转换为y线偏振光,并实现光束聚焦;另一种是结合四分之一波片设计的多功能器件,该器件可将入射的右旋圆偏振光转换为x线偏振光,并实现光束偏折,另外可将入射的左旋圆偏振光转换为y线偏振光,并实现光束聚焦。此两种多功能器件呈现的数值结果与双功能器件结果相接近,只不过在效率上有所降低。通过单元结构电场强度分布得出,该两种器件可以避免单元结构间功能性干扰和效率的限制。这种全介质的多功能器件为今后功能性器件的设计开发提供了很好的应用前景。


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