微纳结构和新颖超材料中的非对称光学传输

Asymmetric transmission(AT), as one kind of unique optical transmission phenomenon, becomes an intense optical issue because of its outstanding role in optical information processing. The traditional AT is usually achieved by breaking the time reversal symmetry using magneto-optical, nonlinear materials to achieve nonreciprocal optical transmission under strong magnetic field or electric field. However, these methods need special materials, strong electric/magnetic field, complex installations which are hard to be integrated. In this project, with remaining the reciprocal theorem, based on the channel effect, we will investigate some micro/nano structures and novel Metamaterials which possess AT potentials, reveal the AT physical mechanism and design optical unidirectional transmission(UDT) elements. The detailed research contents include: 1. the AT property based on surface Plasmon polaritons in micro/nano metallic structures; 2. the AT property based on the special behaviors of the Snell law and the wave-front shaping of the zero-refractive index materials; 3. the AT property of hyperbolic Metamaterials' asymmetric structures and hyperbolic gradient index Metamaterials. We attempt to make breakthroughs in exploiting new AT mechanisms, broadening the frequency band and improving the qualities of the optical UDT elements.

一种特殊的光学传输现象——非对称传输（AT-asymmetric transmission）由于其在信息处理上的突出作用，成为近期光学研究的一个热点。传统实现AT需采用磁光材料、非线性材料在强磁场、强电场作用下打破时间反演对称性从而实现光路的不可逆，对材料、场强、装置要求都比较高，且不易集成。本项目拟在光学互易原理(reciprocal theorem)成立的情况下，基于通道效应，研究具有光学AT的特殊微纳结构及新型超材料，揭示其物理机制并设计光学单透器件。主要内容包括：1、基于表面等离激元的金属微纳结构的AT特性研究；2、基于零折射率材料界面处Snell定律的特殊表现以及波前整形特性的AT现象研究；3、基于双曲超材料非对称结构以及双曲梯度折射率材料的AT特性研究。以期在开拓新的AT机制、拓宽单透频谱、提高单透质量三个方面有所突破。

一种特殊的光学传输现象——非对称传输由于其在信息处理上的突出作用，成为近期光学研究的一个热点。传统实现AT需采用磁光材料、非线性材料在强磁场、强电场作用下打破时间反演对称性从而实现光路的不可逆，对材料、场强、装置要求都比较高，且不易集成。本项目主要研究线性和非磁性材料，即光的互易原理成立的情况下的单透现象。研究过程中首先解决了光路可逆与单向通光之间的关系问题，结果表明在光路可逆的情况下依然可以实现光的单透效果，其实现的主要方式为光波的通道效应。其次，设了计几种获得光的单透的微纳结构，新设计的单透结构不仅单透效果与以往文献的报道结果相比有了很大的提高，而且在频谱范围上也有了很大的拓展，除了常规的单个共振频率处的单透以外，还分别设计了宽频段的单透结构和超窄带的单透结构以及多个频率点同时实现的单透结构。此外，在以设计单透结构为目的的过程中，我们还研究了几种材料的光学传播及透射特性，其中包括金属表面等离激元的金属光栅结构，Dirac锥光子晶体的零折射率材料特性，层状双曲超材料的光学透射特性。依托本项目，我们已经发表和接收的科研论文有12篇，其中10篇为期刊论文，6篇被SCI检索，4篇被北大中文核心检索；2篇会议论文，全部被EI检索，此外，依然有1篇科研论文在投；申请发明专利3项，均已进入了实质审查阶段；带学生参加国际会议一次，国内会议1次，并做报告；培养相关专业研究生两名。达到了项目预期的研究目标。