由单负美特材料(metamaterials)组成的复合结构中电磁波的非线性传播与调控研究

In this project, nonlinear properties of electromagnetic wave in composite structures made of single-negative metamaterials (SNM) will be theoretically and experimentally investigated. Our study will focus on the following three aspects: (1) nonlinear properties of electromagnetic wave in heterostructures made of SNM; (2) nonlinear properties of photonic crystals when the two kinds of SNM composing photonic crystal structures meet the resonant tunneling condition; (3) nonlinear manipulation of electromagnetic wave in photonic crystals made of SNM when the resonant tunneling condition is broken down and the zero-effective-phase photonic bandgap emerges. Due to special mechanism of electromagnetic wave propagation and manipulation, it is expected that there will exist unusual nonlinear properties in heterostructures and photonic crystals made of SNM. Therefore, the study in the present project may be important, not only for understanding the nonlinear properties of heterostructures and photonic crystals made of SNM, but also for applications of these composite structures based on SNM.

本项目将围绕由两种单负美特材料（metamaterials）组成的复合结构中电磁波的非线性传播与调控特性开展理论与实验研究。研究工作主要包括以下三个方面：（1）由两种单负美特材料组成的异质结中电磁波的非线性传播特性及机制；（2）两种单负美特材料满足共振隧穿条件时，由两种单负美特材料组成的光子晶体中电磁波的非线性传播特性及机理；（3）两种单负美特材料不满足共振隧穿条件，由两种单负美特材料组成的光子晶体具有零有效相位带隙时，光子晶体中电磁波的非线性传播与调控特性。由于由单负美特材料组成的异质结及光子晶体具有不寻常的电磁波输运机制和调控特性，非线性的引入将会使由单负美特材料组成的非线性异质结及光子晶体呈现出不寻常的非线性特性。项目内容的研究，不仅可以加深人们对这些单负美特材料复合结构非线性特性及物理机制的了解，而且对由单负美特材料组成的非线性异质结及光子晶体的应用具有指导意义。

本项目主要研究了由两种单负美特材料组成的异质结及光子晶体的特殊非线性特性及机制。取得的重要研究结果有：（1）对于由非线性单负美特材料组成的异质结，由于电场被放大，非线性单负美特材料的非线性效应被增强，因此可以通过较小功率的信号对非线性单负美特材料异质结的隧穿模进行调控，另外，当在线性单负美特材料异质结中引入非线性双负美特材料形成三明治结构时，隧穿现象依然会发生，并且电场依然被放大，由于放大的电场增强了非线性双负美特材料的非线性效应，从而可以通过较小功率的信号对三明治结构的隧穿峰频率进行调控，此外，对于由非线性磁单负美特材料和线性电单负美特材料组成的异质结，当基波信号频率对应异质结的隧穿频率时，虽然不能满足相位匹配条件，但仍能产生较强的二次谐波；（2）对于由满足共振隧穿条件的非线性磁单负美特材料和线性电单负美特材料组成的光子晶体，当基波信号频率对应两种单负美特材料的共振隧穿频率时，即基波信号频率处于光子晶体左手性通带和右手性通带的转折点时，与基波信号频率处于光子晶体的左手性通带或右手性通带相比，二次谐波的转换效率明显增大；（3）对于由不满足共振隧穿条件的非线性磁单负美特材料和线性电单负美特材料组成的光子晶体，当基波信号处于光子晶体零有效相位带隙的低频带边、谐波信号处于高频带边时，与基波信号和谐波信号处于光子晶体的右手性通带相比，二次谐波的转换效率大幅增高。上述研究结果不但有助人们了解由两种单负美特材料组成的异质结及光子晶体的特殊非线性特性，而且对由两种单负美特材料组成的非线性异质结、非线性光子晶体等复合结构的应用具有指导意义。