基于各向異性超材料的寬帶偏振轉(zhuǎn)換器件研究.pdf

1、圓偏振光在手性結(jié)構(gòu)探測(cè)及三維立體顯示方面具有重要應(yīng)用。傳統(tǒng)的方法是利用一定厚度的雙折射晶體來(lái)實(shí)現(xiàn)線偏振光到圓偏振光的轉(zhuǎn)換，但是由于雙折射率較小導(dǎo)致器件體積很大，不利于與其他光學(xué)元器件進(jìn)行片上集成。超材料表現(xiàn)出傳統(tǒng)材料所不具有的奇特光學(xué)現(xiàn)象及材料特性，已經(jīng)為實(shí)現(xiàn)高效偏振轉(zhuǎn)換提供了許多種新奇的解決方案。具有模式雙折射的各向異性超材料也可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)線-圓偏振轉(zhuǎn)換，但是兩個(gè)正交方向的光波之間的相位差色散嚴(yán)重，導(dǎo)致工作帶寬較窄。為了解決這個(gè)問(wèn)題，

2、本文提出，通過(guò)將兩個(gè)相位差梯度相反的各向異性超材料結(jié)構(gòu)集成在一起，來(lái)削弱相位差色散。結(jié)果表明利用該設(shè)計(jì)思路可以在寬頻范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)π/2的相位延遲，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)寬頻偏振轉(zhuǎn)換。本文主要研究工作包括：
　　（1）利用金屬-電介質(zhì)多層板構(gòu)成的各向異性超材料（AMM）在寬頻范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了線偏振光和圓偏振光之間的有效轉(zhuǎn)換。長(zhǎng)方形橫截面的AMM波導(dǎo)陣列存在較大的模式雙折射率，可以用來(lái)操控偏振態(tài)。研究了如何通過(guò)使用雙層堆疊式AMM波導(dǎo)陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)弱色散的相

3、位差。兩個(gè)不同AMM波導(dǎo)陣列引入的相位差及相位差梯度的符號(hào)相反，使得最終的相位延遲表現(xiàn)出弱色散。通過(guò)將AMM波導(dǎo)的傳播特性與傳輸矩陣結(jié)合，從理論上推導(dǎo)并得出了實(shí)現(xiàn)透射波無(wú)色散相位差的條件。進(jìn)一步，指出所設(shè)計(jì)的基于雙層堆疊式AMM波導(dǎo)的1/4波片可在寬頻范圍內(nèi)有效地將線偏振光轉(zhuǎn)換為圓偏振光。此外，線偏振度近似等于1及線偏振角大致等于45°的頻率范圍與工作頻率范圍是一致的。這為開(kāi)發(fā)太赫茲波段的實(shí)用偏振轉(zhuǎn)換器提供了一個(gè)很有前景的方法。

4、　?。?）利用支持低頻類表面波的金屬柵（MG）陣列在寬頻范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了高效線-圓偏振轉(zhuǎn)換并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。兩個(gè)偏振方向正交的光波在MG陣列中的傳播常數(shù)不同，因此MG陣列具有模式雙折射。單個(gè)MG陣列只能實(shí)現(xiàn)窄帶的線-圓偏振轉(zhuǎn)換。通過(guò)數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究了如何利用由兩個(gè)不同的MG陣列組合而成的雙層堆疊式MG陣列在寬頻范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)常數(shù)π/2的相位延遲。兩個(gè)不同MG陣列的引入的相位差及相位差梯度的符號(hào)相反，導(dǎo)致整體相位延遲在一段寬頻范圍內(nèi)色散很弱