基于类电磁诱导透明的超表面偏振滤波器件的研究-苗萍.pdf

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1、 硕 士 学 位 论文 基 于类电 磁诱 导透明 的超 表面偏 振滤 波器件 的 研究 RESEARCH OF METASURFACE POLARIZATION FILTER BASED ON THE ELECTROMAGNETICALLY INDUCED TRANSPARENCY-LIKE PHENOMENON 苗萍 哈 尔 滨工 业 大学 2016 年 6 月 _ 国内图书分类号：O438 学校代码：10213 国际图书分类号：535 密级：公开 理 学 硕士 学 位论 文 基于 类电 磁诱 导透明 的超 表面偏 振滤 波器件 的 研究 硕士研究生 ： 苗萍 导师 ： 刘 树 田 教 授

2、申请学位 ： 理 学 硕 士 学科 ： 光学 所在单位 ： 物理系 答辩日期 ： 2016 年 6 月 _ Classified Index: O437 U.D.C: 535 Dissertation for the Master Degree in Science RESEARCH OF METASURFACE POLARIZATION FILTER BASED ON THE ELECTROMAGNETICALLY INDUCED TRANSPARENCY-LIKE PHENOMENON Candidate ： Ping Miao Supervisor ： Prof. Shutian Liu

3、 Academic Degree Applied for ： Master of Science Speciality ： Optics Affiliation ： Department of Physics Date of Defence ： June, 2016 Degree-Conferring-Institution ： Harbin Institute of Technology _哈尔滨工业大学 理学硕士学位论文 I 摘 要 在 1996 年 科研人员第一次提出人工材料的概念 ，而在 2005 年之后超材料已 经为众多的科研领域开辟了道路。2011 年 Yu 等人利用不连续相位超表

4、面对 Snell 定律进行了推广， 自此研究人员真正开始研究超表面的性质。 超表面其实就是超材 料的二维结构， 它是由等离子纳米天线阵列排列组成的， 本质是亚波长周期性不连 续相位光栅。 超表面是一种通过控制波前相位、 振幅以及偏振进行波束调控的新结 构 ， 通过设计合理的相位梯度就可以控制反射光和折射光的方向， 组成超表面的天 线单元形状不同， 性质也不一样。 三个银 纳米棒组成的超表面结构会出现特殊的类 电磁诱导透明现象，本论文就是基于这种现象对金属棒天线超表面 进行了研究。 本论文首先推导了基于超表面的广义 Snell 定律， 紧接着介绍了研究超表面结 构的新方法，利用模型分析研究超表面

5、而不是传统的全波模拟方法。 设 计 由 三 个 银 纳 米 棒 天 线 组 合 形 成 的 单 元 结 构 超 表 面 实 现 具 有 类 似 电 磁 诱导 透 明 的 现 象 并 解 释 产 生 这 一 现 象 的 过 程 和 原 因 。 理 论 推 导 出 超 表 面 透 射 情 况 下 的 偏振转换效率 ， 当X 偏振光透射率振幅 和Y 偏振光透射率振幅相等同时X 偏振光透 射率幅角和Y 偏振光透射率幅角相差相位 时超表面的偏振转换效率最高。 超表面 偏 振 转 换 效 率 结 果 显 示 在 共 振 频 率 处 超 表 面 偏 振 转 换 效 率 很 低 ， 而 共 振 频 率 周 围

6、 两 侧 频 率 处 的 偏 振 转 换 效 率 相 对 很 高 ， 可 以 根 据 这个特点 研 究 超 表 面 的 偏 振 滤 波 性质。 本 论 文 最 后 一 部 分 主 要 分 透 射 和 反 射 两 种 情 况 研 究 超 表 面 的 偏 振 滤 波 性质 ， 当 超 表 面 为 十 五 层 结 构 时 ， 在 共 振 频 率 处 超 表 面 对 入 射 光 的 透 射 偏 振 转 换 效 率 为 零， 而在共振频率两侧超表面的偏振转换效率很高， 可以利用十五层的超表面制作 透射 型偏振滤波器件。 在反射情况下， 当超表面下面加两层衬底， 第一层是 140nm 厚的 2 MgF ，

7、 第二层是 500nm 厚度的银 时也有很好的偏振滤波效果， 也可以利用这 个结构制作反射式偏振滤波器 件 。 关键词： 超表面；类电磁诱导透明现象；偏振转换效率；偏振滤波器件 _哈尔滨工业大学 理学硕士学位论文 II Abstract In 1996, the concept of artificial materials was proposed firstly, after 2005, Metamaterials opened the road for a large number of scientific research. In 2011, Yu popularized the S

8、nell law using the metasurface with discontinuous phase, since then researchers really begun to study the properties of the metasurface. The metasurface is a two-dimensional structure of metamaterial, which is composed of plasmonic nanoantenna array, and in essence, it is a discontinuous phase grati

9、ng with subwavelength periodicity. Metasurface is a new structure, which can control the direction of reflected light and refraction light by designing a reasonable phase gradient, when the shape of the antenna element composed of the metasurface is different, and the properties are different. When

10、the metasurface structure composed of three metal bars will appear a special phenomenon of electromagnetic induced transparency, in this paper,metasurface of metal rod antenna is studied based on the phenomenon. In this paper, we first derived the generalized Snells law based on the metasurface. The

11、n we propose a new method of metasurface structure, which is a general phenomenological method to analytically model metasurfaces instead of the traditional full-wave numerical simulations. Metasurface composed of three silver nanorods antenna has electromagnetically induced transparent-like phenome

12、non. This paper explains the causes of this phenomenon and metasurface transmission polarization conversion efficiency , When the transmission amplitude of X polarized light and Y polarized light is equal, at the same time, the diffience of transmission angle of X polarized light and Y polarized lig

13、ht is , the polarization conversion efficiency of metasurface is the highest. At resonance frequency, the polarization conversion efficiency of metasurface is very low, while at other frequency, effiency of metasurface is relatively high. According to the characteristics of metasurface, we will rese

14、arch the polarization filter properties of metasurface. The last part of this paper investigates polarization filtering properties of metasurface in transmission and reflection. At resonance frequency, transmission polarization conversion efficiency of metasurface of 15 layer structureis is zero. At

15、 other frequency ，the conversion efficiency of metasurface is very high. We can use the metasurface of 15 layer to make transmission polarization filter. In reflection situation, metasurface with two substrate, of which the first layer is 2 MgF of 140 nanometer thickness, and the second layer is sil

16、ver of 500 nanometer thickness, has a very good polarization filtering property, we also can use this structure to make reflection polarization filter. _哈尔滨工业大学 理学硕士学位论文 III Keywords: electromagnetically induced transparency-like phenomenon, metasurface, the polarization conversion efficiency, polar

17、ization filter _哈尔滨工业大学 理学硕士学位论文 IV 目 录 摘 要 . I Abstract . II 目 录 . IV 第 1 章 绪论 . 1 1.1 超材料概述 . 1 1.2 超表面发展状况 . 2 1.3 电磁诱导透明现象概述 . 8 1.4 本论文主要研究内容 . 9 第 2 章 超表面基本性质 . 11 2.1 引言 . 11 2.2 基于不连续相位超表面的广义 Snell 定理 . 11 2.3 几何超表面现象学分析模型 . 13 2.3.1 超表面模型分析理论 . 13 2.3.2 洛伦兹参数的反演 . 16 2.4 本章小结 . 19 第 3 章 基于类

18、电磁诱导透明超表面的研究 . 20 3.1 银纳米棒天线超表面的性能分析 . 20 3.2 结构参数对类 电磁诱导透明现象的影响 . 25 3.2.1 耦合距离对类电磁诱导透明现象的影响 . 25 3.2.2 周期对类电磁诱导透明现象的影响 . 26 3.3 超表面偏振转换效率 . 27 3.3.1 理论推导偏振转换 效率 . 27 3.3.2 偏振转换效率仿真结果 . 30 3.4 本章小结 . 31 第 4 章 基于类电磁诱导透明超表面偏振滤波器件 . 33 4.1 引言 . 33 4.2 透射情况下超表面的偏振滤波性质 . 33 4.3 反射情况下超表面的偏振滤波性质 . 37 4.4

19、超表面偏振滤波器件 . 41 _哈尔滨工业大学 理学硕士学位论文 V 4.5 本章小结 . 42 结 论 . 43 参 考文 献 . 44 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 . 47 致 谢 . 48 _哈尔滨工业大学 理学硕士学位论文 -1- 第1章 绪 论 光学是一门研究光的性质、 光的行为以及光与 物质的相互作用的学科。 因为研 究 人员对光 与 物 质 的 相 互 作 用 已 经 研 究 的 很 透彻 ，所以 人 们 开 始 从 研 究 光 与 物 质 的 相 互 作 用 转 变 为 根 据 已 知 的 研 究 规 律 去 人 为 的 控 制 光 物 质 材 料 的 相 互

20、作 用 。 现 在 自 然 界 的 物 质 材 料 的 性 质 和 光 的 相 互 作 用 规 律 已 经 研 究 的 很 深 入 而 且 因 为 自 然 界的材料有限， 有时候 不能满足我们的科研需求， 这个时候人们就开 始人为的制造 一些材料来满足需要， 这个人造的材料就是超材料 （Metamaterial ） 。 超材料和天然 材料的最大的区别就是逆向设计思维， 超材料 是由我们的需求出发， 根据需要然后 设计出我们所需性质的材料结构。 因为超材料 这一强大的性质功能， 它的出现在物 理 学 界 引 发 了 很 大 的 震 荡 ， 同 时 让 光 学 领 域 有 了 长 足 的 进 步

21、发 展 ， 尤 其 是 微 纳 领 域。 但是随着微纳领域 在超材料方面的进一步研究， 科研人员发现超 材料存在体块 大、设计灵活性小等缺点，此时一种更优秀的材料就出现了, 它就是超表面 （Metasurface ） ， 超表 面是超材料的二维结构， 它延续了超材料的优点同时还解决 了超材料体积大、 设计灵活性差的缺点。 因为超表面有这么多的优点， 所以在这短 短的几年时间里， 超表面在微纳领域发展迅猛， 成果卓著， 我们也是在这样的大环 境下对超表面进行了一些研究。 1.1 超材料概述 我们知道在电磁学中描述介质的两个基本参数是介电常数 和磁导率 ， 那么 我们 首先 就根据这两个参数对材料

22、进行分类， 如图 1-1 所示， 第一象限对应材料介 电常数和磁导率都是正数， 大多数的电解质材料都具有这种性质； 在第二象限， 材 料的介电常数是 负数但是磁导率是 正数， 对应 这种性质的材料是铁电材料、 掺杂半 导体以及在特定的频率下具有负的介电常数的金属； 在第四象限， 材 料的介电常数 是正数而磁导率是负数， 对应这一性质的材料是具有负磁导率的铁磁金属氧化物； 那 么 最 后 在 第 三 象 限 的 对应的材料 在自然界 是 不 存 在 的 ， 它们 的 介 电 常 数 和 磁 导 率都是负数， 具有这类 性质的材料自然界是不存在， 也就是我们接下 来要介绍的人 造材料超材料。 其实

23、早在 1968 年前苏联理论物理学家 Veselago 1 在理论上 就已经提 出的一个 理论 就是 ： 当电磁波在 介电常数和磁导率同时都是负数的材料中传播时， 其传播方 向和能量方向相反。 但是受到当时实验条件的限制， 这个预测没有得到验证， 所以 他的这个理论并没有得到重视。 在 1996 年 Pendy 2 等人第一次提出人工材料的概 _哈尔滨工业大学 理学硕士学位论文 -2- 念进而拓展了材料的性质 ， 一直到 2005 年之后超材料的概念和理论才逐渐被人们 接受和熟悉， 因为它不 同 于天然材料的特殊性质为众多的科研领域开辟了道路。 现 在科研人员 已经证 明了 超材料对光 束有非

24、 凡的 控制能力， 例如负 折射 3-5 、超分辨 率成像 6 、隐形斗篷 7-11 、彩虹捕捉 12 、电磁 场旋转器 13 、各种透镜 14-16 等。 从 本 质 上 来 讲 超 材 料 其 实 它 就 是 一 种 新 颖 的 材 料 设 计 思 路 ， 它 打 破 了 天 然 材 料 的 限 制 ， 我 们 通 常 对 我 们 熟 悉 的 物 理 结 构 进 行 再 加 工 设 计 然 后 得 到 我 们 需 要 性 质 的 材 料 。 简 单 的 说 就 是 我 们 对 超 材 料 的 应 用 和 对 传 统 自 然 界 中 材 料 的 利 用 的 最 大差别就是， 以前我们根据自然

25、界中材料的种类去加工制作物品、 寻找应用， 而超 材 料 则 是 完 全 逆 向 设 计 ， 针 对 电 磁 波 具 体 应 用 上 的 需 求 来 制 造 出 具 有 相 应 功 能 的 材料。 总结起来超材料它具有三个重要特征： （1） 内部结构是由人工设计； （2） 具备 天然材料不具备的特殊的物理性质； （3 ） 它的 光学性质和它自身的化学成分的性质 没太大关系主要由人工设计的结构决定。 图 1-1 材料 分类 示意 图 1.2 超 表面发展状况 超材料 在自然界 是不存在的 ， 是人工设计的 材 料， 它具有 天然材料所 不具备的 特殊的性质， 比如负折 射。 另外 超材料 还有一

26、 个重要的 性质就是 超材料可以任意改 变材料 的电磁参数 ， 因 为超材料 具有这些特殊的性质， 所以超材料受到 很多领域的 科研人员的重视。 超材料已经发展成一个包括应用物理、 工程、 材料科学和纳米技 术 等 在 内 的 多 学 科 研 究 领 域 。 我 们 研 究 超 材 料 是 为 了 得 到 我 们 想 要 的 物 理 性 质 的 材 料 但 是 这 个 物 理 性 质 天 然 材 料 却 不 具 备 。 但 是 随 着 对 超 材 料 研 究 的 深 入 我 们 发 现超材料设计灵活度很差、 出射波的振幅也很 难保持一致， 另外为了 达到相位积累 V 0, 0 0, 0 0,

27、0 0, 0 _哈尔滨工业大学 理学硕士学位论文 -3- 的效果超材料的体积制作的就会特别大， 因为这些缺点超材料的发展受到了限制。 后 来 科 研 人 员 通 过 新 的 机 理 突 破 了 传 统 的 相 位 积 累 的 方 法 实 现 了 波 束 偏 转 ， 所 以 就出现了超表面这一特殊的结构。 所 谓 的 超 表 面 其 实 就 是 超 材 料 的 二 维 结 构 ， 它 是 由 等 离 子 纳 米 天 线 阵 列 排 列 组成的， 本质是具有亚 波长周期性的不连续相位光栅。 超表面通过 控 制波前相位、 振 幅 以 及 偏 振 态 来 实 现 对 光 束 的 控 制 。 国 内 最

28、 初 的 研 究 者 虞 南 方 定 义 超 表 面 是 这 样描述的， 所谓超表面 其实就是 “能够使一束 光在自由空间波长范围内产生相位、 振幅及偏振突变效应的超薄平面光学元件 ” 17 ， 超表面会与入射光波 产生非常强的 耦合作用从而产生一些特殊的现象， 实现一些 特殊的的功能。 超表面 的二维结构降 低了超材料的限制和弱点 ， 为平面超薄平面实 现完全控制光呈现了可能性。 超表面 设计的理论基础是广义 Snell 定律，根据广义 Snell 定律我们知道只要设计合理的 相 位 梯 度 就 可 以 控 制 反 射 光 和 折 射 光 的 方 向 ， 而 光 学 天 线 对 不 同 偏

29、振 方 向 的 入 射 光的响应特性是不一样的， 对圆偏振光和线偏 振光的响应也不一样， 所以通过精确 的设计超表面的梯度就可以实现对光束的控制。 早在 2008 年 Grbic 18 等人设计了一个近场板利用的是在薄板上打上亚波长结 构 的 孔 径 使 薄 板 呈 现 一 定 的 相 位 分 布 实 现 了 近 场 成 像 ， 其 实 这 样 的 结 构 就 已 经 可 以称之为超表面结构。在 2011 年的时候 Yu 等人 19 利用具有不连续 相位的超表面 对 Snell 定律进行了推 广， 自此研究人员真正开始热衷于研究超表面的结构 和性质。 Yu 等人的研究内容是反常散射光偏振态与入

30、射光垂直，正常的散射光和入射光偏 振方向相同，所以只有一小部分的能量转移到反常散射光中。而在 2012 年 Xu 等 人 20 通 过 转换 光 学 证 明当 散 射 光 的 偏 振 方 向 和 入 射 光 的 偏 振 方 向 相 同 ， 或 者 散 射 光的偏振方向和入射光的偏振方向垂直都会产生相同的现象， 满足相 同的定律， 从 而得出转换光学下的广义折射反射定律。 在 2013 年 Yao 等人 21 把金 属天线和石墨 烯相结合起来， 从而对纳米级金属天线进行电调谐， 实现了超表面的使用性。 同样 在 2013 年 Alexander 等人 22 对超表面进 行了 比较综合的分析与展望

31、。 目前对超表 面 的 研 究 有 从 分 析 不 同 形 状 的 金 属 等 离 子 天 线 的 性 质 这 个 方 向 研 究 的 ， 有 从 不 连 续 相 位 的 超 表 面 结 构 这 个 结 构 的 基 础 之 上 重 新 研 究 传 统 的 光 学 理 论 的 ， 还 有 一 部 分 研 究 人 员 利 用 超 表 面 结 构 实 现 各 种 器 件 功 能 的 ， 下 面 我 们 详 细 的 介 绍 一 下 科 研 人员这几年对超表面的研究工作。 下面介绍的是在超表面的基础上对传统的光学理论的推广工作， 2011 年 Yu 等 人 利 用 费 马 原 理 在 不 连 续 相 位

32、 调 制 的 超 表 面 的 基 础 上 推 广 了 Snell 定 律 ， 在 广 义 Snell 定律中的折射角和反射角都是和超表面的不连续相位梯度相关的，我们通过 设 计 合 理 的 超 表 面 的 不 连 续 相 位 梯 度 来 得 到 我 们 所 需 要 的 折 射 光 线 和 反 射 光 线 。 _哈尔滨工业大学 理学硕士学位论文 -4- 在 2012 年该课题组的 研究人员又把广义 Snell 定律推广到三维情况，得出了三维 的广义 Snell 定律 23 。 2012 年 Xu 等人利用转换光学证明了转换光学下的广义 Snell 定律。 转换光学下的 Snell 定律是： 无论

33、散射光的偏振方向和入射光的偏振方向相 同还是垂直都会产生相同的现象，满足同样的定律。2013 年 Yin 等人 利用 V 形状 的天线纳米阵列组成的超表面结构得到了光子自旋霍尔效应 24 。 也有很多的科研人员研究不同形状的金属等离子天线的性质。 2011 年 Yu 课题 组 19 利用 V 型天线阵列制作出不连续相位调制的超表面如图 1-2(a) 所示，模拟并 证 明 了 超 表 面 对 光 束 的 灵 活 调 控 ， 在 这 个 工 作 中 反 常 散 射 光 的 偏 振 态 与 入 射 光 垂 直， 正常散射光的偏振 态与入射光相同， 实验 结果表明只有小部分的能量转移到了 反常散射光中

34、。 在同一年 Ni 等人 25 同样利用 V 形状的天线组成超表面， 但是这次 的工作把工作波长扩大到 1.01.9 m ， 让超表面展现出了宽带处理的性质。 2012 年 Yu 等人 26 又利用 V 型 天线组成的超表面实现四分之一波片的功能，结构 如图 1- 2(b) 。 它是 由两个具有 不同相位突变分布的子单元 a 和子单元 b 构成， 两个子单元 相位差恰好为 /2 ， 因为超表面反常折射的性质， 所以辐射光恰好满足线偏振向圆 偏振转化条件。 2013 年 Hu 等人 27 设计了如 图 1-3 所示的超表面结构， 将整体圆周 分成 8 等份， 每一 等份实现一种相位调制， 当光束

35、透过超表面 后， 超表面对光束进 行相位调制， 透射 光在远场形成 的强度图 案如图 1-3(c) 所示， 我们可 以发现图 是一 个 亮环， 中心是一个暗 斑。 被超表面调制的涡 旋光束和同轴的高斯光束发生相互干 涉， 最后干涉 结果 如图 1-3(d) 所示， 同离轴 高斯光束 也发生干涉 ，结果如图 1-3(e) 所示 。 图 1-2 V 型 天 线超 表面 结构 示意 图 19,26 2012 年 Chen 等人 28 利用金属棒天线阵列组成的超表面结构实现了双极性等 离子体超透镜， 工作波 长是在可见光范围。 这 个透镜对左旋的椭圆偏振光是发散功 能， 而对右旋的椭圆偏 振光起会聚功

36、能。 这个 研究成果是将超表面对相位的调制和 a b _哈尔滨工业大学 理学硕士学位论文 -5- 对偏振的调制联合起来的结果。同样在 2012 年 Zhao 等人 29 利用两 个垂直的金属 棒天线作为一个小单元构成超表面如图 1-4(b) 所示构成透射式四分之一波片。 2015 年 Ding 等人 30 利用金属棒构成如图 1-4(a) 所 示的超表面，构成具有反射式二分之 一波片的功能。 图 1-3 超表 面实 现涡 旋光 示意图 27 图 1-4 利用 超表 面实 现(a) 反射式 二分 之一 波片(b) 透 射式四 分之 一波 片 29,30 a b c d e b _哈尔滨工业大学

37、理学硕士学位论文 -6- 2012 年， Sun 等人 31 利用如图 1-5(a) 所示的结构， 通过梯度渐变 的超表面在很 大 范 围 上 可 以 实 现 位 置 依 赖 的 相 位 梯 度 分 布 ， 由 于 在 表 面 引 入 了 等 效 折 射 率 梯 度 变化， 经典的斯涅耳定律将会被打破， 即使入射光的入射角度不变的情况下， 只要 改变材料等效折射率的梯度值就可以操控出射光的方向。后来 Pors 等人 32 又利用 这个结构实现平面镜聚焦功能。2014 年，Xianzhong Chen ，Yan Zhang 等人 33 设 计 如图 1-5(b) 所示的 超 表面 ， 当圆偏振入

38、射光正入射到超表面时， 由不同方向排列 组 成 的 超 表 面 对 入 射 光 产 生 一 定 的 相 位 分 布 ， 此 时 每 一 个 金 属 纳 米 棒 都 是 衍 射 元 素中的像素， 只有相反 手性的圆偏振光才能成像， 从而实现了通过超 表面 利用圆偏 振光旋度的转化实现光束整形。2015 年 Dandan Wen 等人 34 利用 金属棒构成 的超表面实现偏振态的测定，他 们 提 出 了 一 个 新 的 方 法 基 于 超 表 面 实 现 完 全 偏 振 光 的 偏 振 态 的 测 定 。 当 一 束 光 通 过 由 不 同 方 向 的 纳 米 金 属 棒 组 成 的 超 表 面

39、后 ， 从 超 表 面 出 来 的 光 是 有 三 束 分 离 的 光组成， 三束光分别是 和入射光一样的光， 异 常折射左旋圆偏振光(LCP)和右旋圆 偏振光(RCP) 。 入射光 的椭圆度和手性可以根据后两束光的相对强度推断出来， 同 时因为左旋光和右旋光自然分离，所以这个装置还可以作为圆偏振分离器。 图 1-5 (a) 梯度渐 变超 表面 ；(b) 光束 整形 器示 意图 31-332013 年 Wei 等人 35,36 利用如图 1-6 所示的圆 形孔径天线阵列制作的超表面， Wei 等人利用如图 1-6 所示的超表面实现了高透射率的波束偏转， 他们在多层金属 板上打上外径相同但是内径不同的