摘要
偏振是描述电磁波性质的重要物理量，通过分析电磁波的偏振状态，可以获取材料结构和成分组成的细节特征。偏振测量系统通过表征各偏振分量的强度以得到入射光的偏振度、Stokes矢量等信息。传统的偏振探测系统通常需要将偏振器件和其他光电器件相结合。如此设计通常会面临结构复杂、难以集成等问题。超表面是一种由亚波长结构组成的二维人工电磁材料。一方面，它具有超轻超薄、易集成的特点，有望替代传统的光学器件并实现系统的微型化、轻量化。另一方面，通过改变超表面单元结构的空间旋向和尺寸，可实现对电磁波振幅、相位和偏振等参量的灵活调控。因此超表面器件被广泛应用于光场调制及测量技术。其中，超表面器件可以实现偏折，偏振成像等功能，但是存在工作带宽有限和色差的问题;同时也可用于偏振测量技术，但是它们通常针对单个波长的偏振信息探测或者对单一偏振分量响应，多波长入射光的情况同样会出现明显色差。这限制了超表面器件的进一步应用。本文围绕上述问题展开研究，主要内容包括: 1.针对圆偏振相关超表面透镜的色差调控问题，在可见光波段设计了一种宽带消色差的超表面聚焦透镜。利用低损耗、高折射率的二氧化钛(TiO2)介质柱结构，获得类似截断波导所产生的传输相位响应，并通过CST仿真软件进行参数扫描构建相位响应数据表，其偏振转化效率超过40％。同时详细分析了几何相位结合传输相位的色散调控机制，借助粒子群优化算法完成理想聚焦波面与实际波面的相位匹配，最终设计了相位调控型的透射式超表面透镜，并实现400-660nm波段的宽带消色差聚焦功能，带宽范围内焦平面处衍射效率为20-45％。在保证工作带宽和衍射效率的同时采用简单的矩形纳米柱结构设计，减少了全模优化设计的难度，降低了加工工艺的复杂度。 2.在偏振测量系统中，针对偏振相关超表面透镜工作波长单一的问题，设计了一种多波长消色差全斯托克斯偏振测量超表面器件。利用各向异性非晶硅(α-Si)单元结构激发的波导模式共振效应和传输相位，实现线偏振状态下的三波长色差调控;并在此基础上结合几何相位的调制原理可以实现圆偏振的色差控制。另外通过优化纳米柱结构的排列方式获得六个多波长消色差超表面透镜，分别对0°、90°、45°、135°线偏振和左右旋圆偏振态独立响应，并组合成为超表面偏振测量器件。仿真分别采用三个波长、六种偏振光入射，实现了超表面器件的消色差聚焦功能，并验证了该器件具有完整表征Stokes参数的能力。由于采用聚焦相位分布，设计的超表面器件有望应用于偏振成像系统，实现多波长、多偏振分量的消色差成像。
NETL