基于液晶及表面等离子效应的若干光器件的研究

论文摘要

本文开展了基于液晶及表面等离子效应的若干光器件的研究,研究对象涉及了扭曲向列型液晶宽带波片、可调谐法—珀滤波器和基于表面等离子效应的法—珀波导干涉腔、金属超分辨透镜、介质光栅—金属平板透射增强器件。 液晶具有晶体的各向异性。利用这个特性,提出了采用两个级联的扭曲向列型液晶盒组成的宽带波片。通过对两个液晶盒的盒厚、指向矢的方位角和扭曲角参数的优化,数值计算的结果表明设计后的液晶宽带波片具有良好的宽带特性和工艺容差。相对其它类型的宽带波片,液晶型宽带波片可以有大的通光口径。 液晶具有电可调谐的特性。利用液晶的这个特性,设计了工作在光通讯C—band上的可调谐液晶法—珀滤波器。针对由反射镜的反射相位带来的器件工作波长和工作电压飘移的问题,推导了计算四分之一波堆反射镜反射相位的近似解析公式。结合在外电场作用下液晶指向矢计算,表明尽管液晶法—珀滤波器干涉腔腔长有微米量级,但是反射镜反射相位在器件的设计中仍然不可忽略。 相对液晶法—珀滤波器,基于表面等离子体波的法—珀波导干涉腔具有结构紧凑集成度高的特点。在金属—介质—金属三层平扳波导的介质层中加入金属片作为反射镜,形成法—珀干涉腔。用时域有限差分方法研究了金属片厚度对干涉腔特性的影响。由于不同厚度金属片的反射相位不同,这不仅会影响干涉腔的品质因子,而且会导致在同一共振波长的腔长改变。提出采用级联结构的法—珀波导干涉腔,在保证高品质因子的同时滤去旁瓣透射峰。 在基于表面等离子效应的金属平板超透镜的研究中,针对金属损耗导致的超透镜分辨率下降的问题,提出了非均匀厚度结构的金属超透镜,对各膜层厚度进行了优化设计,改善了成像分辨率。非均匀厚度结构的超透镜相对单层和周期结构的平板超透镜,可以激发更多的表面等离子体波模式,因而有助于提高超透镜的成像性能。 在基于表面等离子效应的增强透射器件的研究中,主要研究了介质光栅—金属平板结构中光栅参数对于透射衍射效率的影响。分析结果表明该结构的增强透射与金属平板中对称和非对称模式表面等离子体波的激发有关,光栅存在一个最

论文目录

• 目录
• 第一章 序论
• §1.1 引言
• §1.2 液晶光器件的研究进展
• §1.2.1 液晶光学基本理论
• §1.2.2 液晶电光器件
• §1.3 基于表面等离子效应的光器件的研究进展
• §1.3.1 表面等离子体波的基本理论
• §1.3.2 基于表面等离子体波的传感器件
• §1.3.3 表面等离子体波的超分辨能力
• §1.3.4 表面等离子体波集成光波导器件
• §1.3.5 基于表面等离子效应的透射增强
• §1.4 本论文的主要内容及创新点
• §1.4.1 本论文的主要内容
• §1.4.1 本论文的主要创新点
• 参考文献
• 第二章 扭曲向列液晶宽带波片的优化设计
• §2.1 引言
• §2.2 偏振光学的Jones矩阵和Stokes参量表示
• §2.2.1 偏振光的Jones矩阵表示
• §2.2.2 偏振光的Stokes参量表示
• §2.3 扭曲向列型液晶宽带波片的优化设计
• §2.3.1 液晶宽带波片的结构
• §2.3.2 液晶盒参数的优化及结果
• §2.4 液晶盒制作流程与电光特性测试
• §2.5 本章小结
• 参考文献
• 第三章 扭曲向列液晶法布里—珀罗滤波器调谐特性分析
• §3.1 引言
• §3.2 液晶指向矢空间分布和光传播的模拟计算
• §3.2.1 有限差分迭代法求解液晶指向矢空间分布
• §3.2.2 Berreman 4×4矩阵计算传输特性
• §3.3 液晶法布里—珀罗可调滤波器的结构原理
• §3.4 计算反射镜相移的公式的推导和验证
• §3.4.1 公式推导
• §3.4.2 公式验证
• §3.5 液晶法布里—珀罗滤波器可调协特性分析
• §3.6 本章小结
• 参考文献
• 第四章 基于金属表面等离子体波波导的法布里—珀罗干涉腔研究
• §4.1 引言
• §4.2 计算色散物质的FDTD方法
• §4.3 MIM结构和模拟参数
• §4.4 法布里—珀罗干涉腔谐振特性分析
• §4.5 级联法布里—珀罗波导干涉腔
• §4.6 本章小结
• 参考文献
• 第五章 金属超透镜的成像特性研究
• §5.1 引言
• §5.2 传输矩阵计算方法
• §5.3 单层金属平板超透镜的成像特性
• §5.3.1 非准静态时的超透镜成像
• §5.3.2 表面等离子体效应在超透镜成像当中的作用
• §5.3.3 损耗对于超透镜成像的影响
• §5.4 多层平板结构的超透镜成像
• §5.4.1 多层平板结构超透镜的Pendry模型
• §5.4.2 自适应模拟退火法及其优化实例
• §5.4.3 优化的多层平板结构超透镜
• §5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 介质光栅—金属薄膜透射增强效应的数值模拟研究
• §6.1 引言
• §6.2 严格耦合波方法介绍
• §6.3 介质光栅—金属薄膜结构透射增强效应
• §6.3.1 结构参数
• §6.3.2 增强透射效率的研究
• §6.3.3 结构在折射率传感器上的应用
• §6.4 本章小结
• 参考文献
• 第七章 电子束光刻和金属平板超透镜成像的实验研究
• §7.1 引言
• §7.2 电子束光刻制作掩模版的实验研究
• §7.2.1 实验目的
• §7.2.2 实验方案及步骤
• §7.2.3 实验结果
• §7.2.4 讨论
• §7.3 金属超透镜成像的实验验证
• §7.3.1 实验目的
• §7.3.2 实验方案及步骤
• §7.3.3 实验结果
• §7.3.4 讨论
• §7.4 本章小结
• 参考文献
• 第八章 总结与展望
• 博士在读期间发表及已提交的论文
• 致谢