三维手性超材料光学不对称传输特性的研究

Materials with asymmetric transmissions have important applications such as optical isolators, circulators and polarization convertors. Since scientists discovered a kind of polarization dependent asymmetric transmission in planar chiral metamaterials, these materials have attracted much attention owing to their compact structures and the absence of extra-magnetic field compared with optical active crystals. So far, however, most of the works are focused on the microwave frequency, and the asymmetric parameters and operation band are both relatively small, which limit their further applications. Base on our previous work, the layered and helical chiral metamaterials have broader band and higher asymmetric parameter. Therefore, the applicant plans to carry out researches on asymmetric transmissions on three-dimensional (3D) chiral metamaterials, including: study of the electromagnetic principles for asymmetric transmissions, and analysis of the asymmetric transmissions in 3D chiral metamaterials by numerical simulations; fabricating and testing the 3D chiral metamaterials; finally, completing the chiral metamaterials with high asymmetric transmission coefficents and wide operation bands in the optical wavelength range. This project will further discover the unique property of 3D chiral metamaterials and promote their applications in optical integrating devices.

具有不对称传输（asymmetric transmission）特性的材料在光隔离器、环形器和偏振转换器等方面有重要应用。自从研究人员在二维手性超材料中发现偏振相关的不对称传输特性以来，因其相比传统旋光晶体材料无需外加磁场且结构微小易集成的特点吸引了大量关注。但目前研究大都集中在微波段，且不对称系数与带宽较小，离实用尚有差距。本项目申请者前期研究发现，层状及螺旋状等三维手性结构可得到较大带宽和较高不对称系数。因此，项目提出对三维手性超材料开展进一步研究，包括：研究产生不对称传输现象的电磁学原理，并通过数值算法模拟、分析三维手性超材料的光学不对称传输特性；实验上进行三维手性超材料的制备与光学特性测试研究，最终完成光频下高不对称系数、大工作带宽三维手性超材料的样片设计与制备。本项目的开展将会进一步挖掘三维手性超材料的特殊光学性能，并期望对最终实现在集成光器件上的应用起到推动作用。

超材料（Metamaterials）是近年出现的一种新型人工电磁材料。它主要通过在自然媒介中嵌入人工设计的几何结构电磁单元来实现对各种物理量的调制，从而获得新奇的电磁特性，如负折射率、理想成像、逆多普勒效应、反常切连科夫辐射效应、非对称传输、电磁诱导透明等。因此，超材料在很多领域具有巨大的潜在应用价值。本项目主要针对三维手性超材料、二维介质超材料的光学特性展开了深入研究，具体研究成果包括：1. 利用螺旋结构超材料设计出了一款高性能的光学隔离器，理论仿真发现该隔离器的工作带宽在1个倍频宽度，反向隔离度可达15dB；2.设计并制备出了一种双手性螺旋结构，发现该结构超材料具有非常好的不对称传输特性，工作带宽在1个倍频宽度，不对称传输系数达到0.8；3.研究发现螺旋结构初始角度的变化可以影响输出光的波前，相位变化与初始角之间成线性关系，这一发现为螺旋结构增添了新的光学特性，并为利用螺旋超材料进行波前的调控提供了理论保障；4.利用二维柱状超材料设计出了偏振不敏感的隐身衣，这种隐身衣设计突破了传统方案中只能针对一种偏振态的缺点，使隐身效果和范围得到了提升；5.搭建并完善了飞秒激光直写系统，研究了不同材料微结构加工工艺参数与过程，完成了SU8光刻胶、IP-S光刻胶10层600纳米线宽的加工实验；6. 在进行二维超材料的研究中，我们发现Si材料具有独特的相位调控优势，它折射率高，对红外光的吸收小，非常适合作为红外相位调控器件的基础材料，经过大量仿真，基于Si材料设计出了6种偏振分光平面透镜，它们分别对x偏振光、y偏振光、45度偏振光、-45度偏振光、左旋圆偏振光、右旋圆偏振光有很好的汇聚作用，且聚焦效率可达60%，利用这6种结构我们设计并加工出了一个能对振幅、偏振、相位同时进行探测的超材料芯片，该芯片具有实时性好，集成化水平高，能实现全斯托克斯参量面阵探测等优点。项目实施4年来共发表相关SCI论文10篇，申请国家发明专利6项，圆满完成了本项目的既定目标。