特异介质表面对电磁波的调控研究

Electromagnetic (EM) metamaterial, a new type of composite and functional material consisting of subwavelength artificial microstructures (or meta-atoms) arranged in a specific order, shows great power to manipulate EM waves. Metasurface, a ultrathin inhomogeneous metamaterial with specially designed transmission or reflection phase distribution, has received much attention recently. In principle metasurfaces can arbitrarily manipulate the wavefront of EM waves. Some novel effects (for instance the generalized Snell’s law) are realized. Besides, metasurfaces possess many advantages, such as easy design and fabrication, ultrathin thickness, low loss, broadband, etc. According to the current research status of metamaterials and our past research experiences, we plan to study two kinds of EM wave control based on metasurfaces：(1) the wave-front control, including sources with complex wave-fronts, high-efficiency meta-holograms, and perfect absorber based on metasurface; (2) the arbitrary control of propagation mode, including the conversion from propagating wave to surface wave and then back to propagating wave. Theoretical analysis, numerical simulation and experiment will be performed to demonstrate our ideas.

电磁特异介质是由亚波长“人工原子”按照特定排序组合而成的复合功能材料，其对电磁波具有强大的调控能力。最近，特异介质表面广受关注，它是由超薄亚波长人工原子组成的非均匀系统，通过对人工原子透射或反射相位分布的特殊设计，特异介质表面原则上可以任意调控电磁波波前，诸如拓展斯涅耳定律在内的一系列奇异效应得以实现，另外特异介质表面具有设计制备简单、厚度超薄、损耗小、频带宽等优点。根据本领域研究现状并结合自身基础，申请人计划结合理论分析、数值模拟和实验测量开展以下研究：（1）特异介质表面对电磁波辐射波前的调控，包括复杂波前器件，高效全息成像，以及特异介质表面吸波器；（2）特异介质表面对电磁波传播模式的任意调控，实现从传输波-表面波-传输波的任意调控。

本项目主要研究电磁超表面实现对电磁波的辐射波前及电磁模式进行自由调控，取得了以下几方面的成果：1）提出集成透射式超表面与等离激元金属来组成表面等离激元耦合器的新思路，它解决了以往耦合器中不可避免存在反射损耗和解耦合损耗的难题；2）理论分析确定了以往几何相位超表面耦合器中工作效率低的关键原因，实验实现了近100%效率的手性调控的表面等离激元激发；3）基于琼斯矩阵分析确定了决定几何相位超表面工作效率的理论条件，在全反射式系统和全透射式系统两种不同构架下，实验实现了高效率光子自旋霍尔效应、涡旋光束激发、电磁偏振态检测等效应及应用；4）将超表面的概念从三维远场推广至两维近场，实现了表面波所满足的广义斯涅耳反射定律、表面波点聚焦等效应；5）利用各向异性超表面实现偏振控制的双功能电磁调控，基于可调超表面实现了宽带漫反射、消色差棱镜、动态调控电磁波手性等效应。在本项目资助下，共发表18篇论文，总影响因子92.3，包括1篇Light: Science & Applications、1篇ACS Photonics、2篇Advance Optical Materials, 1篇Physical Review Letters、3篇Physical Review Applied, 1篇Physical Review B, 4篇Scientific Reports等，论文共被SCI引用151次，1篇论文入选ESI高被引论文；项目负责人作为第二完成人获得“2016年度上海市自然科学一等奖”；2次担任国际会议程序委员会成员，3次在PIERS等会议上组织主题分会，19次在SPIE Optics+Photonics等国际会议上做邀请报告。