论文部分内容阅读
非衍射光束，例如贝塞尔光束，马蒂厄光束和Airy光束，不会在它们传播时发生扩散。这种性质在许多应用中特别有用，包括成像，显微操作和光学转染。但是Airy光束还有着更加特殊的性质，即自弯曲（自加速）。以往用来生成Airy光束的器件体积巨大，不易在系统中集成。而超表面作为新型的人工电磁材料，具有亚波长厚度，体积小以及易实现等优点，更加重要的是，利用超表面可以操控电磁波的幅度及相位，本文采用超表面来实现Airy光束的生成和操控。本文主要研究内容如下： 首先，对于Airy波束的相关理论进行了研究，包括Airy波包的基础解，接着对基于Airy波包基础解的Airy函数进行了研究。由于理想的Airy光束具有无衍射特性，对应着的是其无限的能量，因此本文对理想Airy光束进行了截断，进而给出了有限能量Airy函数的表达式。最后对于Airy光束的三个重要性质进行了数学描述以及给出了实际应用。 其次，对圆极化Airy波束的激发进行了研究。首先以电磁谐振单元为核心，进行了超表面透射相位调控单元的设计。所设计的单元结构中，包含了双层开口环的电谐振结构，以及以圆形贴片作为幅度调制器的三层超表面单元。通过对电磁谐振结构进行符合Airy函数的相位和幅度分布的排列，实现了相位调制和相位-幅度调制的Airy波束的激发，以及验证了Airy波束的自愈特性，并采用三种有效方式对Airy波束的偏转进行了调控，其中采用广义折射定律的调控方式和改变超表面各部分单元结构数量比例都十分有效。 最后，对线极化Airy波束的激发进行了研究。首先设计了另一种高效的多层线极化透射相位调控单元，进行了相位调制Airy波束激发超表面的设计与仿真，其对垂直入射线极化波产生了良好的波前控制，成功的实现了Airy波束的激发。接着，利用设计的以开口环为基本单元的幅度调制器，构建了七层相位-幅度调控单元，根据仿真结果所示，所设计的幅度调制器具有较好的带宽扩展效果。三种调控方式中的引入新的相位因子方法的调控效果最为明显。