【摘 要】
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微纳加工技术的日益成熟,使得光学器件逐渐向轻薄化、集成化以及低成本化的方向发展。基于亚波长光学材料的器件相比于传统光学元件具有设计灵活、效率高、便于集成等优势,受到了国内外研究者的广泛关注。亚波长光学材料被大量应用于光通信、平板显示、光学隐身等领域。通过对亚波长结构参数的合理设计,可以实现对入射光振幅和相位的调制,进而制作成功能各异的光学元件。本文利用亚波长结构的光学性质,设计了一种基于超表面结构
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微纳加工技术的日益成熟,使得光学器件逐渐向轻薄化、集成化以及低成本化的方向发展。基于亚波长光学材料的器件相比于传统光学元件具有设计灵活、效率高、便于集成等优势,受到了国内外研究者的广泛关注。亚波长光学材料被大量应用于光通信、平板显示、光学隐身等领域。通过对亚波长结构参数的合理设计,可以实现对入射光振幅和相位的调制,进而制作成功能各异的光学元件。本文利用亚波长结构的光学性质,设计了一种基于超表面结构的新型偏振分束器。通过对入射光的反射和衍射的偏振特性调控,实现了多通道高偏振抑制比的偏振分束。进一步研究了亚波长光学材料的波导耦合效应在光交互中的应用,通过设计亚波长光栅波导,实现了对入射光角度和位置的实时探测。该系统具有可远程操控、响应速度快、成本低廉等优势,为未来人机交互的发展提供了一种新的思路。本文的主要研究内容及成果如下:1)提出了一种基于多狭缝亚波长光栅结构的多通道偏振分束器,解决了传统单狭缝光栅的衍射效率与偏振抑制比无法同时兼顾的矛盾,保证各通道的高偏振抑制比的同时实现了更加灵活的角度分束。利用光栅衍射、MIM波导模式和F-P腔共振理论,结合严格耦合波模拟,揭示了狭缝间的模式特性与狭缝宽度、狭缝高度、光栅周期的关联及其对器件分束特性的影响。2)利用半导体加工技术,通过参数优化制备出了高性能的偏振分束器件,并对其光谱性能进行测试。最终实现了每个通道的消光比大于20 d B的多通道偏振分束。3)提出了一种基于双层亚波长光栅结构的3D光交互方案,通过探测激光斜入射时耦合光的横向位置差,实现对入射波长和角度的传感,利用光栅衍射及波导耦合理论,揭示了探测信号与入射光位置的物理关联,推导该关联的共性公式,并归纳了这一规律。4)利用纳米压印技术完成了大面积光栅薄膜的制备,并搭建测试系统,实现了平均误差为2.94°的角度探测和平均误差为1.65 mm的位置探测。
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