论文总字数：11773字

摘 要

ABSTRACT 2

第一章 绪论 3

1.1 简述偏振片的原理及其研究概况 3

1.2 本论文的研究内容 5

第二章 CST软件的模型设计与使用 6

第三章 基于纳米光栅阵列的宽带偏振片的透射谱 15

一、用CST Microwave Studio软件计算透射谱 15

二、透射谱分析 17

第四章 电场、磁场及电流密度分析 19

一、电场和磁场分布 19

二、电流分布 20

第五章 结论 21

参 考 文 献 22

摘 要

一直以来，偏振片和光栅在众多的光学器件中都具有着举足轻重的地位。受制于经典物理学的宏观思想，过去关于两者结合的研究一直很少。但随着近来集成光路成为光学研究的前沿和热点方向，而传统的偏振器件却存在着体积大，损耗高，不便集成等缺点。故对于将各类光学器件的尺寸缩减到微米、纳米级范围以适应集成光路的设计的研究开始成为主流，其中在光栅尺寸（间距、周期等）的数量级达到近光波波长范围附近时的偏振特性引起了人们的注意。

本课题拟研究基于光栅结构的、适用于红外波段的纳米偏振片。希望通过本课题的研究获得宽带、高透射系数、能适用于集成光路的高性能纳米偏振片。

关键词：微纳光学 集成光路 纳米偏振片 偏振光栅

ABSTRACT

All along, polarizers and gratings have a pivotal position among many optical devices. Be subject to the macroscopical thought of classical physics, there has been little research on the combination of the two over the years. But recently, integrated optical circuit has become the front and hot direction of optical research. However the traditional polarizers have many disadvantages, such as the large volume, the high loss and not convenient for integration. So, all kinds of optical device’s size should be reduced to the nanometer level range in order to adapt to the design of the integrated optical circuit, in which the polarization characteristics of the grating when its size (spacing, period, etc.) near the wavelength range of light are noticed.

In this thesis, we are planning to study the nano-polarizer based on the grating structure, which is suitable for infrared light band.It is hoped that the high performance nano-polarizer which has broadband, high transmission coefficient and can be applied to the integrated optical circuit can be obtained through the research of this subject.

Key Words: micro-nano optics;integrated optical circuit;nano-polarizer;polarization grating

第一章 绪论

1.1 简述偏振片的原理及其研究概况

法国科学家马吕斯（Malus）早在1809年，因为一次美丽月夜下的反光，从而提起了研究的兴趣，遂发现了光的偏振现象。也正是这一现象，为当时正陷于同微粒说的“战争泥沼”中的波动说打下一剂强心针，毕竟偏振那可是横波才有的独特现象，基于此等坚实的理论基础，波动说在当时最终战胜了微粒说，一时间在整个物理学领域风光无两。要体会这波动说的坚船利炮的威力，怎么不了解一下马吕斯当时所进行的实验？他当时是这样干的：拿了两块玻璃板，在这儿我们姑且就称之为玻璃板A和B吧！首先，使一束自然光以一定角度（大概为57°）从空气入射到普通的玻璃板A上，要说为什么是这角度，马吕斯当年不知道，现在的我们却都清楚，可不就是布儒斯特所发现的起偏角嘛！这自然光在这玻璃板A上反射，这儿我们把得到的反射光叫做好了（区别于之后玻璃板B的反射光）同样的，我们把这束经A反射而来的当成另一束入射光，使它刚巧以相同的入射角（起偏角）再经空气入射到另一块玻璃板B上，这里在玻璃板B上反射得来的光叫做。有趣儿的现象来了：当玻璃板B围绕这束在空间内自由的转动时，的强度会随着玻璃板B转动后位置的不同而发生变化。当所在的入射面和所在的入射面相互平行时，的强度最强，而在所在的入射面和所在的入射面相互垂直时，的强度则近乎为零。在该实验中我们很容易就能看出，玻璃板B是充当了检偏器的功能的，那么玻璃板A自然则对应的是起偏器。显而易见，是线偏振光，这主要是和布儒斯特角也称起偏角有关。

在自然界中有某些物质，它们对不同方向的电磁振动的吸收具有差异。一般来说，我们把一束入射的光的电矢量在空间内的振动，看成是两个相互垂直的分量所合成的。所以每当光线照在这些对不同方向的电磁振动的吸收具有差异的物质上的时候，电矢量在一个方向的分量会被该物质吸收，而奇妙的是，在与之垂直的方向的分量却几乎不受影响，从而该光束的透射光会变成线偏振的，也就是只有一个振动面的光波。我们将物质的这种仿若筛选的性质就叫做二向色性，例如早在1815 年，拜奥特（Biot）就发现了天然的电气石晶体的这一属性。可想而知，大多的偏振器件也都是依据此原理制成的。

偏振片有多种分类方法，如按照获取方法、温度、透过率、底色、复合不同功能的光学薄膜等。在这里我们只讨论按获取方法的不同，而分出的天然偏振片与人工偏振片。天然偏振片一般是指定的晶体，材料较为稀少，故加工也“挑剔”，总的来说很难获得，因此价格昂贵。而与之对比的人造偏振片则显得“物美价廉”，它制造简单又便宜，而且易于制成较大面积，所以我们现在广泛应用的，大多都是这种人造偏振片。现今使用的偏振片，固然在使用的设备、制造工艺等方面与80年前相比有了许多的改进，但使用的材料和原理，仍和80年前（也即1938年），兰德（Land）刚发明出H型人造偏振片时一样。这种偏振片本身并不含有具备二向色性的物质。制作方法简单的说：将聚乙烯醇（PVA）薄片加热拉伸，浸碘或其他二向色性的有机溶液，最后晾干，具有优异性能的H 偏振片就这么产生了，目前大家使用最多的，正是这种人造偏振片。

光栅是一种常见的光学器件，老实说你自己拿块玻璃板拿把刀，小心划出大量间距相等的平行刻痕，这就是一块光栅。以前被宏观物理学的乌云遮蔽，尽管结构上还挺类似的，但人们就都没怎么想过光栅和偏振能联系到一起。一直到集成光学热门了起来，这对微纳数量级的器件研究的增多，偏振光栅才引起了大家的兴趣。其实根据偏振片的原理我们可以在理论上类似的推断出，自然光通过光栅会变成偏振光，而偏振光要想通过光栅，只有当其振动方向与光栅结构所带来的“透振方向”一致时才可以，当然这一特性只有在光栅尺寸（间距、周期等）的数量级达到近光波波长范围附近时才可实现。本课题的研究正是利用了光栅尺寸在近光波波长范围附近时的这一特性，使用CST微波工作室进行一系列的数值模拟与参数比较，最终希望得到宽带、高透射系数、能适用于集成光路的，基于光栅结构的纳米偏振片。

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