原子层厚度超表面光场调控原理及应用

超表面由亚波长尺度二维人工微结构构成,可以实现对光场振幅、相位、偏振等多参量进行调控,为光场调控提供了优良平台.二维材料作为一种新型层状结构材料,相对于三维体材料有着十分独特的光学和电学特性,其与超表面结合为纳米尺度平面光学器件的发展提供了新的可能.本文综述了基于原子层厚度的二维材料超表面发展,介绍了多种二维材料超表面...     

超分辨波长调控变焦超透镜

提出了一种超分辨波长调控变焦超透镜的设计方法,同时对相位、色散、振幅进行调控,在提升超透镜轴向变焦能力的基础上,采用分层粒子群优化（HPSO）算法不断压缩超透镜的点扩散函数,使超透镜的半峰全宽（FWHM）不断逼近甚至小于衍射极限0.5λ/NA(NA为数值孔径)。作为理论验证,设计了一种工作在68～80μm波长范围内的超分辨波长调控变焦超透镜。仿真结果表明,其轴向变焦能力约为常规衍射超透镜的1.52倍,在73～78μm波长范围内的横向分辨率小于衍射极限。     

长红外双波长共聚焦超透镜设计研究

本文提出并设计了一种由简单微元结构组成的超透镜,可同时实现长红外双波长共聚焦功能.基于广义斯涅耳定律和传输相位调制机理,通过建立科学评价函数选取最优的微元结构排列组成超透镜.设计结果表明,该超透镜实现了波长为10.6和9.3μm的双波长共聚焦,且具有较高聚焦效率、聚焦光斑接近于衍射极限,并定量分析了超透镜微元结构参数冗余度,得到其对聚焦效率的影响趋势.本文设计的超透镜有望满足长红外光学共聚焦系统集成化、微型化的需求,在激光外科手术、工业切割焊接等领域有着重要的应用价值.     

近红外偏振无关超透镜研究

基于微纳结构对光波调控实现聚焦与成像的超透镜是目前国际上竞相发展的前沿技术。本文针对目前已报道的近红外超透镜偏振相关、系统复杂以及透过率低等难题,提出了一种偏振无关的近红外超透镜。以低折射率材料SiO₂为基底,高折射率材料Si圆形柱为相位调控单元,设计波长为1.31 μm。利用时域有限差分方法分析了近红外超透镜构建单元的光波调控特性,构建了构建单元的相位延迟特性曲线,探究了构建单元周期对光波透过率的影响规律,实现了构建单元的优化设计,并基于波前重构方程,设计出偏振无关的近红外超透镜。数值仿真结果表明:相位调控单元的相位延迟与透过率不仅取决于Si圆形柱半径、高度,而且与单元周期密切相关;基于分析的构建单元光波调控特性,设计的近红外偏振无关超透镜焦距仿真值为19 μm,与设计值较好吻合,透镜透过率达到65%。设计的超透镜不仅体积小、质量轻,而且为平面透镜,因此易于光学系统集成,在激光雷达、激光夜视等技术中展现出广阔的应用前景。     

基于超透镜的多芯泵浦耦合器

多芯传输系统有望解决未来大容量数据传输的问题。然而在整个通信系统中多芯信号的中继目前面临着许多困难,例如信道增益的不均衡、多芯泵浦光的分束耦合等。其中泵浦光和增益多芯光纤纤芯间的均匀耦合由于决定着多芯光纤增益的效率和对应纤芯增益的均衡和系统能效的利用率,成为多芯系统放大的关键问题之一。基于此,设计了一种基于光纤端面的超透镜耦合装置,通过适当优化超透镜子结构的分布,最终可以使得泵浦光可以多点聚焦到耦合多芯光纤的焦平面。相比于空间光耦合光纤系统,减少泵浦光的浪费。理论设计和数值仿真结果表明光纤包层中的光可以在光纤端面分点聚焦,从而使得泵浦光的分流和纤芯聚焦,总的光强利用率达90%以上,为后续有源光纤实现芯泵提供解决思路。     

周期性和孤立的纳米结构的超透镜亚波长成像

超透镜光刻技术是一种很有前景的纳米结构成像技术,由于其具有可以克服衍射极限的能力,直到2005年,张翔和他的同事在365 nm紫外线波长下成功的对一排纳米线和刻在高分子膜上的四个字母NANO实现了超分辨成像,分辨率高达1/6入射波长。通过传递矩阵方法优化出超透镜结构,并通过选择适当的材料和设计在超透镜结构中的每个层的厚度以及合理的优化实验等方法制备一个新的超透镜结构,利用这种超透镜结构实现了周期性纳米结构及孤立纳米结构的亚波长成像。实验结果表明,对于周期性的纳米结构,其图像分辨率达到100 nm,而孤立结构的分辨率低于50 nm,小于入射波长的1/7。     

周期性和孤立的纳米结构的超透镜亚波长成像

超透镜光刻技术是一种很有前景的纳米结构成像技术,由于其具有可以克服衍射极限的能力,直到2005年,张翔和他的同事在365 nm紫外线波长下成功的对一排纳米线和刻在高分子膜上的四个字母NANO实现了超分辨成像,分辨率高达1/6入射波长。通过传递矩阵方法优化出超透镜结构,并通过选择适当的材料和设计在超透镜结构中的每个层的厚度以及合理的优化实验等方法制备一个新的超透镜结构,利用这种超透镜结构实现了周期性纳米结构及孤立纳米结构的亚波长成像。实验结果表明,对于周期性的纳米结构,其图像分辨率达到100 nm,而孤立结构的分辨率低于50 nm,小于入射波长的1/7。     

单层超薄高效圆极化超表面透镜

针对超表面在透镜方面的应用, 本文设计了一种交叉极化透射聚焦超表面, 实现了将圆极化波转化为交叉极化波的同时聚焦电磁波的功能. 设计了一款旋转型单元, 单元为一层且厚度仅为1.5 mm, 分析了旋转型单元提供不同相移的原理并设计了相邻单元相移差为60°的相位梯度超表面, 在中心频率f=15 GHz附近发生奇异折射, 折射角与理论计算结果一致, 验证了设计单元的有效性, 基于该单元设计了尺寸为90 m mm×90 mm、单元数为15×15 的透射型聚焦超表面, 在中心频率f=15 GHz附近, 左旋圆极化平面波照射时, 透射波聚焦于L=40 mm 的实焦点且透射波为照射波的交叉极化波. 该超表面透镜效率高、厚度薄且为单层, 易于加工, 相对于传统透镜, 优势明显, 在操控电磁波、改善透镜性能方面有潜在应用价值.     

全景环形透镜二维平面成像展开算法研究

针对基于平面圆柱透视法PCF(Plat Cylinder Perspective)设计的全景环形透镜PAL(Panoramic Annular Lens)的环行像存在畸变失真的现象,对全景环形透镜PAL的二维平面环形像设计了展开算法,分别在切向和径向进行线性化处理.算法采用了线性插值,使展开后图像无盲区,同时建立在FCP成像原理上的转化,实现了对二维平面PAL像进行真实恢复,且效果良好.     

基于宽带立体超透镜的远场超分辨率成像

为突破传统衍射极限实现远场超分辨率成像,提出了一种微波频段宽带立体超透镜用于目标远场超分辨率成像.该透镜可将携带着目标超分辨率信息的凋落波分量转换为传播波分量辐射到远场,进而可在远场接收这些信息并用于超分辨率成像.分别从频域和时域两方面对该透镜的超分辨率特性进行验证.在频域,利用多重信号分类算法对借助于该结构的扩展目标实现了λ/12的远场超分辨率成像,大幅度提升了成像效果.在时域,结合时间反演技术,验证了带宽提升对空间超分辨率聚焦特性带来的明显优势.     

表界面调控米级二维单晶原子制造

随着芯片尺寸不断缩小,短沟道效应、热效应日趋显著.开发全新的量子材料体系以实现高性能芯片器件应用已成为当前科技发展的迫切需求.二维材料作为一类重要的量子材料,其天然具备原子层厚度和平面结构,能够有效克服短沟道效应并兼容当代微纳加工工艺,非常有望应用于新一代高性能器件方向.与硅基芯片发展类似,二维材料芯片级器件应用必须基于高质量、大尺寸的二维单晶材料制造.然而,由于二维材料的表界面特性,现有体单晶制备技术不能完全适用于单原子层结构的二维单晶制造.因此,亟需发展新的制备策略以实现大尺寸、高质量的二维单晶原子制造.有鉴于此,本文重点综述表界面调控二维单晶大尺寸制备技术发展现状,总结梳理了米级二维单晶原子制造过程中的3个关键调控方向,即单畴生长调控、单晶衬底制备和多畴取向控制.最后,系统展望了大尺寸二维单晶在未来规模化芯片器件方向的潜在应用前景.     

中红外宽带消色差超透镜的设计

中红外热成像系统是通过探测物体本身的辐射进行成像,不需要外部光源。而传统的中红外热成像系统体积大,不利于小型化。本文基于传输相位理论,采用时域有限差分（FDTD）法,使用FDTD软件计算仿真,探究了不同的单元半径、纳米柱高度及单元周期对相位延迟及透过率的影响,并且针对不同的纳米柱半径,利用传输相位调控实现中红外（3～5μm）波长下全介质硅材料的宽带消色差超透镜设计。其数值孔径为0.24,仿真焦距值为147.3μm,半峰全宽（FWHM）为8.11μm,透镜透过率达到70%。设计的超透镜不仅体积小、质量轻、全波长聚焦效率可达到54%,而且为平面透镜,因此易于光学系统集成,在红外成像、红外夜视仪、红外遥感等技术中展现出广阔的应用前景。     

周期性和孤立的纳米结构的超透镜亚波长成像（英文）

超透镜光刻技术是一种很有前景的纳米结构成像技术,由于其具有可以克服衍射极限的能力,直到2005年,张翔和他的同事在365nm紫外线波长下成功的对一排纳米线和刻在高分子膜上的四个字母NANO实现了超分辨成像,分辨率高达1/6入射波长。通过传递矩阵方法优化出超透镜结构,并通过选择适当的材料和设计在超透镜结构中的每个层的厚度以及合理的优化实验等方法制备一个新的超透镜结构,利用这种超透镜结构实现了周期性纳米结构及孤立纳米结构的亚波长成像。实验结果表明,对于周期性的纳米结构,其图像分辨率达到100nm,而孤立结构的分辨率低于50nm,小于入射波长的1/7。     

介质超透镜自动设计技术及软件研究

由于超透镜在光场相位调控、多功能复合、微纳集成等方面具备传统透镜无法比拟的优势,故其在许多领域具备极大的应用潜力。但是,超透镜的设计需要专业人员具备专业知识及丰富的经验,这使得非专业人员无法快速掌握,为此阻碍了超透镜的规模化制备。通过MATLAB和时域有限差分法(FDTD)的混合编程,研究了不依赖于预设物理模型的超透镜的设计过程,实现了介质超透镜的自动化设计。通过在MATLAB编写的软件界面上输入所需的超透镜参数,后台调用FDTD设计仿真程序来构建纳米结构,可以计算出结构的尺寸与相位和透过率的关系。根据所需的相位分布来构建超透镜,最后对超透镜进行数值模拟仿真及性能评估。所述的设计流程及软件能极大地方便非专业人员进行超透镜的设计。     

突破衍射极限的超级透镜技术及其应用研究

基于超材料的超级透镜能让携带物体高频信息的倏逝波分量参与成像,从而实现对小于半个工作波长的超精细结构的分辨。分析了几种典型的超透镜,如近场、远场和双曲超透镜的工作原理和研究进展,并对超透镜技术在实时生物成像、高密度光存贮、光刻等方面的应用前景进行了分析和总结。     

二维超对称模型的超对称破缺和Witten指数

构造了一类超势W=(1/n)gφⁿ的二维O(N)对称超对称模型,详细计算了此类模型的Witten指数△。结果表明,当n为偶数时,超对称一定不能破缺,而当n为奇数时,超对称可以破缺。利用大N展开法,还研究了上述模型的超对称自发破缺机制,同时给出了相应的粒子谱。 关键词：     

基于超材料复合结构的太赫兹液晶移相器

为了解决现存太赫兹移相器的损耗较大且不可控、相移量较小的问题,本文设计了一种简易超材料复合结构实现的太赫兹移相器.该器件由4层结构组成,自上而下依次为L型金属谐振层、液晶层、弓型金属层、石英基底层.通过在上、下金属层施加偏置电压,改变液晶盒内液晶分子指向矢的偏转角α,从而改变液晶的有效折射率,器件的相位也随之发生变化,进而实现动态调控相位的目的.仿真结果表明:设计的太赫兹液晶移相器在1.68—1.78 THz间透射率可达0.968,插入损耗低至0.3 dB;当频率为1.7396 THz时,其最大相移为352.625°,在1.7315—1.7396 THz (带宽为8.1 GHz)频率内相移量超过352°.这种简易超材料多层结构为调控太赫兹波提供了一种新方法,在太赫兹成像、传感等领域有广泛的应用前景.     

平面超透镜的远场超衍射极限聚焦和成像研究进展

突破瑞利衍射极限,实现纯光学的远场超衍射极限聚焦和成像在科学和工程的各个领域都有重要意义.现有光学超分辨技术都存在一些固有的限制因素,如工作距离短、适用领域窄、不利于集成等问题.平面超透镜由于理论上的创新、设计灵活、效率高、方便集成等优势,成为实现超衍射极限的有效途径.本文综述了平面超透镜的物理原理及其在超衍射极限聚焦和成像方面近年来的研究进展,并讨论了该领域面临的问题和未来的研究重点和方向.     

基于二维材料异质结可饱和吸收体的超快激光器

可饱和吸收体作为非线性光学行为的物质载体,是获得超快激光的关键材料.基于石墨烯、过渡金属硫化物、拓扑绝缘体、黑磷等二维材料为代表的可饱和吸收体具有不同的光学优点,但仅依赖某一方面光学优势的单一材料,很难避免其应用的局限性.通过异质结结构结合不同二维材料的优势,达到光学互补效应,为制备高性能的新型可饱和吸收体,实现短脉宽高峰值功率的输出提供了思路和借鉴.本文总结了异质结可饱和吸收体的制备方法、能带匹配模型、电子跃迁机理,并从工作波长、输出脉宽、重复频率、脉冲能量等重要参数对国内外基于二维材料异质结激光器的研究进展进行了综述,此外,对二维材料异质结在光调制器、超快激光、可饱和吸收体、光开关等方向的发展前景进行了展望.