二氧化钛超构表面涡旋光探测器件的制备研究.pdfVIP

摘要

进入二十一世纪的第二个十年后，随着大数据、物联网和云计算等由数据

驱动的信息科学的发展，互联网流量的膨胀速度已经远远超过了光纤流量的增

长速度。目前已铺设光纤的信道容量已经逼近了香农极限，因此人们迫切需要

新的通信技术来突破光纤容量的极限。拉盖尔高斯光作为涡旋光的一种，拥有

拓扑荷数这个可以无限复用的通信维度之外，还具有另一个可无限复用的通信

维度径向指数，能够更进一步的拓宽信道容量，因此相应通信技术的研究被认

为是突破香农极限的关键所在。其中拉盖尔高斯光的探测是一个重点和难点，

超构表面能够在一个微小的尺度上实现对光场的自由调控，介质型超构表面器

件则在实现对光的自由调控的基础的同时，具有非常高的工作效率，因此利用

介质型超构表面开发相应的拉盖尔高斯光的探测器件可以同时满足超薄可集成

和工作效率高的特点，具有很强的现实意义。

本文研究了可见光波段下用于探测拉盖尔高斯光的超构表面器件，工作波

段为532nm，本文具体的研究成果主要包括以下几个方面：

本文利用COMSOL软件设计了圆台状二氧化钛超构表面结构单元，实现

了超过96%的透射率，以及0~2π的全范围相位覆盖的二氧化钛超构单元的设

计。在此基础上使用了角谱模拟法利用双曲相位调制对拉盖尔高斯光经过超构

表面后的远场衍射花样进行了模拟，在450nm~580nm的波长范围内实现了

对高阶径向指数拉盖尔高斯光的检测。

在完成超构表面设计的基础上，本文通过改变超构表面的加工制备工艺，

获得了刻蚀后形貌较好的二氧化钛微柱，而后利用相应工艺对设计的超构表面

进行了加工，所制备的超构表面可以检测拓扑荷数为0~5阶的拉盖尔高斯

光，和径向指数为0~3阶的拉盖尔高斯光，工作效率约为81.45%。

关键词：超构表面；拉盖尔高斯光；可见光波段；探测

from0to2π.Subsequently,angularspectrumsimulationmethodemploying

hyperbolicphasemodulationwasemployedtosimulatethefar-fielddiffraction

patternsofLaguerre-Gaussianlightafterpassingthroughthemetasurface.

Detectionofhigh-orderradialindexLaguerre-Gaussianlightwasrealized

withinthewavelengthrangeof450nmto580nm.

Keywords:Metasurfaces;Laguerre-Gaussianlight;visiblelightspectrum;

detection

目录

摘要I

ABSTRACTII

第1章绪论1

1.1课题背景及研究的目的和意义1

1.2拉盖尔高斯光简介2

1.3国内外研究现状4

1.3.1相位平坦化法检测高阶拉盖尔高斯光束4

1.3.2干涉法测量高阶拉盖尔高斯光7

1.3.3光栅法检测高阶拉盖尔高斯光9

1.3.4坐标变换法检测拉盖尔高斯光12

1.4本文的主要研究内容15

第2章超构表面的模拟原理和实验方案17

2.1引言17

2.2超构表面的研究方案17

2.3超构表面基本理论18

2.3.1米氏共振18

2.3.2费马原理19

2.3.3广义斯涅尔定律20

2.4超构表面的模拟方法21

2.4.1有限元法21

2.4.2标量衍射理论（SDT）23

2.5超构表面的工作原理25

2.6实验材料及仪器26

2.7超构表面制备和表征方法27

2.7.1超构表面的制备