基于变换光学的几个逆问题的研究

Transformatiom optics (TO) is a unique tool used in the frontier researchs of the optics and the nanophotonics now, which has offered and will offer more remarkable opportunities for the development of these fields. In this project, several inversed problemes will be studied using the theoery of TO together with the numerical analysis and the experiment. .The first problem is the detection of the electromegnatic(EM) cloak, which is the inverse problem the EM cloak. The nonlinear optic responds and the scattering spectrum of the EM cloak corresponding to the supershort laser pulse will be analyzed. And the optical method of detecting the EM cloak will be concluded. The research result is helpful for explaining the mechanism of the interaction between the electromegnatic wave and the metamaterials and can promote the application of the metamaterials. .The Second is the inverse problem of the transformation area of the EM cloak. Geometric complement structures of the EM cloak with different parameters will be designed and its properties in the localization of the electromegnatic field will be analyzed. Applications in the high resolution senors and storing devices will be explored. .The third is the invese problem of the propagation of the surface plasmons. For the well-studied infinite slab of metal, a particular transformation known as an inversion will be used to map the points at infinity to the origin, and vice verse. Metallic nanostructures with sharp edges or corners will be designed by this inversion transformation.The nanoscale field wide band light confinement/harvesting will be archieved in the edges or corners of the structure.Applying the structures in single-molecule spectroscopy,optical tweezers and the low-power ultrafast nonlinear devices will be exploid.

变换光学是目前活跃在光学和纳米光子学领域的一种独特的研究方法，它为这些领域带来了无限生机，本项目拟采用变换光学的方法结合数值分析和实验研究几个逆问题：①隐身的逆问题，即电磁斗篷(cloak)的探测，分析电磁斗篷对超短脉冲激光的非线性响应和散射光谱，给出探测电磁斗篷的经典光学方法，研究结果对阐明电磁波与超材料(Metamaterial)的作用机理有重要意义，为超材料的应用起到积极的促进作用。②电磁斗篷变换区域的逆问题，设计斗篷的几何互补结构，分析其电磁局域特性，探索其在小型高分辨传感器、存储器等方面的应用；③表面等离子波传播的逆问题，将无限大金属板变换为含奇点(边缘或尖端)的金属纳米结构，使原本向无限远传播并逐渐衰减的表面等离子波沿金属表面向其奇点减速传播，并在奇点处聚集/增强，实现纳米尺度的宽频段光捕获(light harvest)，研究其在单分子光谱探测、低能量超快非线性效应方面的应用。

(1)分析研究了电磁Cloak在超短脉冲激光作用下的非线性响应特性，分析结果表明脉冲激光与电磁Cloak的超构材料层相互作用会产生倍频、受激拉曼散射等非线性效应，电磁Cloak在超短脉冲激光照射下其散射场中存在明显的频移信号，据此可以探测电磁Cloak的存在。(2)在传统的隐身斗篷中引入反隐身层(anti-cloak layer)使被隐藏物体在隐身的同时实现对外部信号的探测，创新点在于反隐身层可以具有不规则形状，更具普适性。(3)针对隐身斗篷对超构材料(metamaterial)的依赖所导致的制作困难和波长依赖等问题，提出了两种宽带隐身系统，一种用常规光学透镜，理论分析和实验证明其可以在可见光波段有效地对物体实现宽带隐身；另一种是结合相位匹配条件设计的宽带电磁隐身斗篷，同时提出了曲面超构表面(metasurface)器件的设计方法。(4)提出了一种新的空间变换设计方案，可实现具有连续本征模式的电磁局域微腔结构，它能将电磁场全部局域在自由空间微腔中，因而大大提高了能量利用率，而且其介质层的物质参数随空间缓慢变化，更具实用性。此外，结合数值求解Laplace方程，可以设计不规则形状的电磁局域微腔结构，可应用于小型高分辨传感器、存储器等。(5)利用表面等离子激元在纳米尺度上的“热点”效应和亚波长尺寸的光捕获特性实现局域电磁场增强。提出了具有槽形边缘的月牙状光捕获微结构，在两个微结构组成的二聚体的间隙处可获得强电磁局域场；提出利用新型类表面等离子激元材料(铁电聚偏氟乙烯)将光捕获的电磁波段红移，实现了太赫兹波段的宽带光捕获，数值模拟表明二聚体结构的吸收截面对外界环境很敏感，可应用于大分子的探测。(6)设计了一种具有槽形边缘的银纳米片的组装结构，并在实验上制备出了这种结构，实验研究表明该结构在槽形间隙处可以产生强电磁局域场，使它可以作为表面增强拉曼散射(SERS)的基底实现快速高灵敏度的拉曼探测，为化学分析、生物医疗和环境监测等领域获得快速高灵敏度的拉曼探测提供了一种简单易得的平台。(7)与项目相关的基础研究，如基于槽形结构的研究结果，设计了由介质光栅实现的高质量多频光学单通器件；利用线性坐标变换设计了多个由均匀介质构成的微型光学功能器件；提出了用等离激元纳米壳层结构调控法诺共振的方案；提出了实现多波长反常透射及透射光谱红移的纳米结构等。