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人工微结构材料调控光的偏振和自旋霍尔效应研究

作　者: 凌晓辉
导　师: 范滇元
学　校: 湖南大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 偏振人工微结构材料光自旋霍尔效应横移光束自旋分裂多层薄膜微结构不均匀各向异性
分类号: TB33
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

偏振是光的一个重要性质。一直以来,人们都希望能够完全地控制光的偏振态。调控光的偏振在本质上是调控光的电场分量在两个正交方向上的振幅和相位差。传统的控制偏振的方法包括各向异性介质(晶体)波片、手性材料、二色晶体和光栅等。人工微结构材料是一种电磁性质可以人为设计和调控的人工复合材料,由两种以上的物质按一定规则组合而成,具有亚波长的光学尺度,其电磁性质取决于结构组成方式而非构成其结构的物质本身。它往往具有自然物质所不存在的新特性或反常特性或超过常规材料的特性。通过合适地设计其结构单元,可以得到双折射率远大于常规各向异性材料的微结构材料；也可以通过局部地改变结构单元,从而得到想要的光束偏振和相位分布。调控光的偏振还会影响光的另一个基本性质——相干性,因而可以通过控制偏振来调控光的相干性。高的相干性是激光的一个显著特征,这一特征使激光广泛用于工业、军事、医学和科学研究等领域。而对于某些激光应用领域,如激光核聚变、激光显示和激光热处理等,高相干性却是有害的,甚至致命的。因此,这些领域对于非相干激光的需求非常迫切。另一方面,近几年来倍受关注的光自旋霍尔效应实际上也是一种偏振相关的效应。它类比于电子的自旋霍尔效应而来,其中光子的自旋对应于电子的自旋,折射率梯度扮演外场的角色。而光子的两个自旋态对应的即是左、右旋圆偏振。光自旋霍尔效应表现为自旋相关的分裂现象,即一个线偏振光的左、右旋圆偏振分量由于经历不同的几何相位(geometrical phase)而在空间上相互分开。因此,调控光自旋霍尔效应,本质上就是对光的偏振的调控。基于以上认识,本文提出用人工微结构材料来调控光的偏振和自旋霍尔效应,取得了几项创新性成果：(1)提出用不均匀各向异性微结构材料来产生非相干的激光辐照。在横向空间上,我们将大量对偏振具有不同的改变能力的微结构单元随机排列。从光的相干性的观点来看,光束通过这种结构后在远场焦面是非相干的。我们以偏振敏感的L型微结构材料为例,用计算机模拟仿真论证了其在降低散斑对比度和提高激光辐照均匀性等方面的应用潜力。与传统的偏振控制元件相比,基于微结构材料的偏振控制器件的结构尺寸可以控制在波长量级,并且其偏振性质具有很大的可调控空间。这使得它特别有潜力用于微纳光子器件和未来集成光路方面的应用。(2)首先研究了两种多层薄膜微结构中的折射光的自旋霍尔效应。它们分别具有对称和不对称的介质层排列,其菲涅尔系数可以通过调节结构参数而改变。我们发现,光束的自旋-轨道相互作用可随多层结构的光学参数的改变作周期性振荡(来源于法布里-珀罗(Fabry-Perot)共振),因而可以有效地增强、压缩甚至完全抑制自旋相关的横移,从而实现对光自旋霍尔效应的调控。同时,也可以反过来利用光自旋霍尔效应来表征纳米尺度的结构和折射率变化,为研究纳米结构中的物理特性提供一种灵敏的方式。其次,在此基础上,进一步提出用缺陷一维光子晶体的缺陷态来增强光自旋霍尔效应。在斜入射情形下,这种缺陷态具有偏振相关的透射峰。在透射峰附近自旋分裂的横移值可以达到空气-玻璃界面的数十倍,从而极大地增强光自旋霍尔效应。(3)研究了光在单层各向异性超常介质中的反常的自旋霍尔效应。这种反常表现在光束自旋分裂的不对称性。在前人的关于光自旋霍尔效应的研究中,左、右旋圆偏振光的自旋分裂是完全对称的,即它们分居于入射面的两侧(相反的分裂方向),并具有等振幅的横移。而我们发现,由于各向异性超常介质极大的各向异性而导致不对称的几何相,使自旋分裂产生明显的不对称性,即左、右旋圆偏振光可能出现相同方向的横移或是不相等的横移振幅。改变超常介质的结构参数和入射面与光轴的夹角,可以对这种不对称分裂进行调控。(4)提出一种具有特殊几何结构的、不均匀的各向异性微结构材料来调控光的自旋霍尔效应及自旋分裂。它能够改变光束的局部偏振态,并产生自旋相关的、空间变化的几何相,使线偏振光产生自旋分裂。有趣地是,在远场,这种分裂表现为多个独立的左、右旋圆偏振光斑(用Stokes参数的S3分量表示)的交替出现。光斑的个数取决于材料的几何结构,从而使不均匀的各向异性微结构材料有潜力用于调控光束自旋分裂和光子自旋态。实际上,不但材料的几何结构对几何相有贡献,我们还发现,入射的偏振态也会对几何相有贡献。现有的研究都局限在入射光为空间均匀的线偏振光的情形。我们考虑一般性的情况,以轴对称线偏振光为例,考虑空间不均匀的线偏振光(矢量光束的一种)的自旋分裂,均匀线偏振光只是其特殊形式。由于几何相来源于材料和入射偏振两方面的贡献,所以远场的自旋分裂图案也可通过改变入射偏振分布来予以调控。因此,不均匀线偏振光将成为调控光束自旋分裂和光子自旋态的一个新的自由度。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-10
目录  10-12
插图索引  12-14
第1章绪论  14-35
  1.1 选题背景与意义  14-16
  1.2 人工微结构材料调控光的偏振的研究进展  16-19
    1.2.1 亚波长金属孔、缝阵列调控光的偏振  16-17
    1.2.2 亚波长金属片阵列结构调控光的偏振  17-18
    1.2.3 三维的金属螺旋结构或立体异构结构调控光的偏振  18-19
    1.2.4 小结  19
  1.3 光自旋霍尔效应研究进展  19-29
    1.3.1 概述  19-21
    1.3.2 空气-玻璃介面的光自旋霍尔效应  21-23
    1.3.3 空气-超常介质界面的光自旋霍尔效应  23-24
    1.3.4 金属表面等离子体中的光自旋霍尔效应  24-26
    1.3.5 半导体微腔中的光自旋霍尔效应  26-28
    1.3.6 小结  28-29
  1.4 人工微结构材料简介  29-33
    1.4.1 人工微结构材料的概念及发展历史  29-30
    1.4.2 多层薄膜微结构  30-32
    1.4.3 不均匀的各向异性微结构  32-33
  1.5 本文框架  33-35
第2章基本理论和方法  35-50
  2.1 光的偏振的描述：Jones矢量和Stokes参数  35-36
  2.2 三维的光束传输模型  36-39
    2.2.1 基本原理  36-38
    2.2.2 矩阵变换  38-39
  2.3 光自旋霍尔效应  39-42
    2.3.1 反射光的自旋霍尔效应  39-41
    2.3.2 折射光的自旋霍尔效应  41-42
  2.4 光在多层薄膜结构中的反射和折射  42-47
    2.4.1 转移矩阵法的基本原理  43-44
    2.4.2 转换矩阵和传输矩阵的推导  44-46
    2.4.3 缺陷一维光子晶体的转移矩阵  46-47
  2.5 光在不均匀各向异性介质中的传输  47-49
  2.6 空间不均匀线偏振光  49
  2.7 小结  49-50
第3章基于不均匀各向异性微结构材料的偏振控制板产生非相干激光辐照  50-57
  3.1 引言  50-51
  3.2 偏振去相干的理论分析  51-54
  3.3 产生非相干的激光辐射和提高辐照均匀性  54-56
  3.4 小结  56-57
第4章多层薄膜微结构材料中可调控和增强的光自旋霍尔效应  57-68
  4.1 引言  57-58
  4.2 多层薄膜结构中的可调的光自旋霍尔效应  58-61
  4.3 一维光子晶体的缺陷模增强光自旋霍尔效应  61-66
  4.4 小结  66-68
第5章各向异性超常介质中反常的光自旋霍尔效应  68-76
  5.1 引言  68-69
  5.2 各向异介质中光自旋霍尔效应的理论  69-72
  5.3 不对称的光束自旋分裂  72-75
  5.4 小结  75-76
第6章不均匀的各向异性微结构材料操控远场的光束自旋分裂  76-89
  6.1 引言  76-78
  6.2 用q板操控远场的光束自旋分裂  78-83
    6.2.1 理论分析  78-80
    6.2.2 远场可调的自旋分裂  80-83
  6.3 轴对称线偏振光的自旋分裂  83-87
  6.4 小结  87-89
结论  89-92
参考文献  92-106
致谢  106-107
附录A 攻读博士学位期间已发表与待发表的论文  107-109
附录B 攻读博士学位期间参与的科研项目  109

人工微结构材料调控光的偏振和自旋霍尔效应研究

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