智能化薄膜超材料调控光传播行为研究

As the method of controlling the transmission action of the electrons in solid, using the light as the information carrier to control and utilize photons is now becoming the frontier of the crossed fileds between information science and material science. Metamaterials provide the new technological approaches to realize this idea. This project presents the physics model of the smart film metamaterials composed of the V-shaped artificial atom and dendritic artificial molecule to modulate light propagation. We suggest a method by designing the periodic and quasiperiodic low-cost film metamaterials with gain and develop a rapid technology of electromagnetic simulation which can accurately analyze smart film metamaterials. Based on the "bottom-up" technology route and the template assemble technology, by adjusting the gain medium and various parameters in the course of chemical fabrication, the smart film metamaterials operating at the infrared and visible frequencies can be fabricated with the method of nanostructured chemical electric deposition. The measurments of transmission, reflection, refraction and the distribution of field energy etc. confirm its extraordinary modulating behaviors on the light propagation. This helps us further understand the physical mechanism of the film metamaterials modulating light propagation behaviors. Exploring the change law of smart film metamaterials modulating light propagation behaviors provide a foundation for the design of new devices based on the film metamaterials.

利用光作为信息载体，像控制固体中电子的传输行为一样来控制和利用光子正在成为信息科学与材料科学交叉孕育的前沿学科。超材料为实现这种理想提供了新的技术途径。本申请提出基于V型人工原子和树形人工分子结构实现智能化薄膜超材料调控光传播物理模型，建立设计周期与准周期结构增益介质低损耗薄膜超材料方法，发展精确分析智能化薄膜超材料的快速电磁仿真技术；采用"由下而上"的技术路线，利用膜板组装技术，通过调节增益介质和化学制备过程中的各种参数，由纳米结构化学电沉积方法制备出红外及可见光波段智能化薄膜超材料；经由透射、反射、折射、场能量分布等实验验证其负折射、负反射等奇异光传播调控行为，进而更深刻理解薄膜超材料调控光学传播行为的物理本质。探索智能化薄膜超材料调控光传播变化规律，为基于薄膜超材料的新一代器件设计提供基础。

光速减慢甚至停止是实现光信息传输与存储的首要任务，也是光信息调制领域一直以来的研究热点与难点。本项研究提出了一种树枝状无序非周期结构超表面模型，仿真计算表明单层和双层树枝结构可以实现小角度和大角度入射时的反常反射和折射效应。采用电化学沉积法制备了可见光波段响应的单层和双层银树枝样品。利用超表面样品组装的楔形波导成功观测到了彩虹效应，入射白光被分开为从蓝光到红光的七彩光带；测量发现，在一定量的谐振波段入射光入射时，波导出射的光能量为0，实现了在室温环境无磁场调节条件的光速减慢和停止。采用干涉法，测量了银树枝左手超材料的反常古斯-汉森位移。实验证实，当入射光与银树枝左手超材料的谐振频率一致时，古斯-汉森位移值为负。模拟及实验证实树枝超表面对垂直入射线偏振光的交叉极化转换作用，交叉极化光倾斜出射，是一种具有光操控功能新型超表面。设计结构不对称树枝对超界面单元，在中红外波段实现了良好的平面聚焦效果,实验得到可见光波段绿、黄、红光样品的聚焦效应。. 基于双渔网超材料理论模型和自下而上方法，制备了一种绿光波段金属银双渔网超材料。实验发现，通过增益介质的引入，样品的可见光透射谱中透射峰高度由7%提升到14%；亚波长成像实验中535nm绿光在270nm的近半波长距离处成像，光增强归一化值由3%提升到6%,这种掺杂增益介质方法可以有效降低工作损耗，提升超材料的负折射特性。基于超材料完美吸收的思想，设计并制备出新型光学折射率传感器。通过观察液滴反射条纹的变化，实现对不同透明液滴可见光波段折射率的裸眼分辨。制备了纳米银树枝结构单元超材料吸收器,实验表明这种吸收器可在538nm和656nm实现强度为21.1%和24.8%的多频吸收。吸收器制备工艺简单，成本低廉，样品工作面积大,为高光谱分辨成像和空间光调制技术提供了新思路。本项目已经在国内外发表科学论文38篇，其中SCI收录34篇；培养博士研究生6人，硕士研究生12人，毕业博士4人，硕士11人。