线性和非线性多功能超表面光场调控及其应用

Metasurfaces have powerful tunabilities in the manipulation of the frequency, amplitude, phase, and polarization for electromagnetic wavefront, which have been becoming one of the important research directions and hot topics of the metamaterials. However, the designs of the current metasurfaces usually have single function. Because of the important applications of the multi-functional metasurfaces in optical communication, imaging, sensing, etc., the multi-functional metasurfaces is becoming one of the important research directions and hot topics of the metasurfaces. We will theoretically and experimentally study the linear and nonlinear multi-functional metasurfaces for optical field manipulations and their applications in this project. We will realize the multi-functional metasurfaces with different optical functions under different wavelengths based on the metasurfaces with low ohmic loss. Based on spatial Fourier transform theory, we will realize polarization dependent multi-functional metasurfaces to effectively control the spatial distributions of light in a single wavelength. Then, we will provide a new degree of freedom for controlling nonlinear signal by combing the multi-functional metasurfaces with the nonlinear optical signal. We hope to promote the development of multi-functional metasurfaces in the nanophotonics devices and applications, and form our own characteristics and advantages in the international research field by carrying on this project.

超表面对电磁波频率、振幅、相位和偏振的强大调控能力，成为近几年超材料的重要发展方向和研究热点之一。然而，目前超表面的设计往往只具有单一功能。基于超表面的多功能微纳光学器件的设计和研究，对光通信、光成像与光传感等方向具有重要意义，将是微纳光学领域未来的重要发展方向和研究热点之一。本项目拟从理论和实验两个方面开展线性和非线性多功能超表面光场调控及其应用研究。基于具有低欧姆损耗的超表面，实现在多个光波波长下具有不同光学功能的多功能超表面；基于空间傅里叶变换原理，设计并实现单一波长下偏振态依赖的多功能超表面，从而实现对空间光场分布的有效调控；将多功能超表面与非线性光信号操控相结合，为非线性信号的操控提供新的自由度。我们希望通过本项目的开展，推动多功能超表面在纳米光子学器件中的应用发展，争取在该领域的国际研究中形成自己的特色和优势。

超表面对电磁波频率、振幅、相位和偏振的强大调控能力，成为近几年超材料的重要发展方向和研究热点之一。然而，目前超表面的设计往往只具有单一功能。基于超表面的多功能微纳光学器件的设计和研究，对光通信、光成像与光传感等方向具有重要意义，将是微纳光学领域未来的重要发展方向和研究热点之一。本项目从理论和实验两个方面开展线性和非线性多功能超表面光场调控及其应用研究。实现在多个光波波长下具有不同光学功能的多功能超表面，设计并实现单一波长下偏振态依赖的多功能超表面，将多功能超表面与非线性光信号操控相结合，为非线性信号的操控提供新的自由度。通过项目的实施，基于电介质多功能超表面实现了全色度70%到90%的超高饱和颜色、171% sRGB的巨大色域空间的结构色，基于金属-电介质杂化超表面实现150%标准RGB (sRGB)空间的高饱和度传输结构色，在数字电影投影、高端相机、高密度光学数据存储、成像等方面有潜在应用价值。进一步，我们提出能量可调谐的自旋选择多功能超表面、实现了超表面的多波段准连续体束缚态的选择性激发。最后，在多功能超表面非线性光信号操控方面，实现了多焦距的超透镜以及多功能的超表面，提出了一种基于自由电子动力学流体力学模型的非线性超表面设计方法，实现二次谐波的全复振幅调控。非线性超表面的设计方法将促进非线性超表面在光学信息、光学多功能集成等方面的应用。