基于导模共振手征微结构的圆偏振光调控及器件设计研究

Recently, chiral artificial microstructures have attracted a great deal of attention due to their unique physical characteristics on manipulating the circularly polarized lights, as well as the application on communication and biomedicine. For traditional chiral artificial microstructures, the mechanisms on controlling the circularly polarized lights are mainly based on the localized resonance of individual metal elements and Bragg multiple scattering of metal/dielectric multilayered structures. The former have the important advantage of controlling the circularly polarized lights by using the thin structures, but the effect has been restricted to narrow frequency ranges and absorption losses due to the localized resonance of the individual metal element. The latter can control the circularly polarized lights within a broadband frequency. Although this is true, the effect in these geometries usually comes at the price of increased number of stacked layers, so that it is difficult to fabricate such geometries and also limit their application in practice. In this project, we will resort to a new chiral artificial microstructures, that is chiral microstructure waveguide grating. We will focus on the guided-mode resonance effect of circularly polarized lights and exploit the mechanism on controlling the circularly polarized lights within broadband frequency ranges in these structures. Compared to traditional schemes, our structures may effectively simplify the fabrication of chiral artificial microstructures. More importantly, these researches not only broaden the research scope of guided-mode resonance effect and deepen people's understanding of basic physics, but also are instructive for the development of the related chiral photonic devices.

手征人工微结构材料由于其对圆偏振光的独特调控作用及在光通信和生物医学等领域的重要应用受到了国内外研究学者的极大关注。目前，人们对圆偏振光的调控主要是基于金属手性结构单元的局域共振机制或金属/介质手性结构单元的布拉格多重散射机制。前者可以通过一个很薄的结构实现对圆偏振态光子的调控，但是它的带宽很窄，并且伴随着强烈的吸收损耗；后者可以实现宽带圆偏振光子的调控，但是由于它是多层结构，因此实验制备比较困难。本项目研究的是一类新型人工手征微结构---手征波导光栅结构。我们将重点从理论上研究手征波导光栅结构中圆偏振导模共振效应，探索基于手征波导光栅结构的宽带圆偏振调控机理。对比传统方法，这类手征波导光栅结构的特点是结构简单，其所需结构层数减少到一到两层，因此加工制备相对容易。对手征波导光栅结构的研究，不但可以拓宽手征微结构的研究范围，而且可以为设计各种手征光子器件提供新的思路。

偏振是光波的一个基本属性。对于光波偏振态的调控无论在理论研究还是应用领域都具有非常重要的意义。本项目聚焦介质波导光栅薄膜及手征人工微结构薄膜中的圆偏振光调控，取得如下研究成果：.（1）基于波导光栅色散调控的超宽带偏振控制.通过对波导光栅色散关系的深入研究，我们发现在单模区域两个彼此正交线偏振模式（TE及TM偏振）的色散曲线可以近似保持平行，利用这一特性我们可以构建宽带圆偏振光波片。进一步研究发现，这种平行色散关系的带宽和中心频率受不同的物理机制调控，可通过控制波导光栅的不同结构参数来实现。上述理论分析被严格数值计算方法及实验所证实，我们实验制备的波导光栅样品可在1.1-2µm波长范围内将线偏振光完美转换为圆偏振或正交偏振光。这种波导光栅波片具有高效率、结构紧凑的优点，因此易于光电系统集成。.（2）手征金属光栅复合薄膜结构中的圆二色性吸收.我们构建了一种新型、结构简单的手征金属光栅复合薄膜结构。通过选择合适的结构参数，这种手征金属光栅复合薄膜结构可以实现高效的圆二色性吸收，在共振波长0.615μm处，其左旋圆偏振光的吸收接近100%，右旋圆偏振光的吸收小于9.5%。同时，这种手征金属光栅复合薄膜结构对反射的右旋圆偏振光具有手性保护功能。这种手征金属光栅复合薄膜结构在圆偏光探测、手征传感、手征反射镜等方面有良好的潜在应用价值。.另外，我们还探索了介质波导光栅结构中的磁共振现象及梯度超表面介质光栅结构中的高效非对称光传输现象。我们相信这些研究，不但具有重要的理论价值，也具有良好的潜在应用价值。