电磁超表面的角度色散调控光场的原理及应用研究

Manipulating the light field behavior with metamaterials has attracted intensive research interest, due to both basic scientific significance and wide application. However, angular dispersion -- the response of a metasurface strongly depends on the impinging angle -- is an intrinsic property of metasurfaces, but its physical origin remains obscure which hinders its applications in metasurface design. In this proposal, based on our past achievement in metamaterials, we would like to focus on the key scientific issue on angular dispersion in metamaterials, and study the physical mechanism and its applications to fully control the near and/or far field of light. By combining theoretical analysis, numerical simulations and experiments, we plan to conduct the following researches:1) study the physical mechanism of the angular dispersion in homogenous metasurface based on simple meta-atom; 2) Study the angular dispersion of homogenous metasurface base on complex meta-atoms; 3) combine the angular dispersion engineering with in-homogenous metasurfaces to achieve multiple functional manipulation on light and its applications.

利用电磁超表面（metasurfaces）调控光场行为既有基础理论意义和广泛应用前景。然而电磁超表面中的角度色散，即电磁超表面的电磁响应强烈依赖入射角度这一基本特性的基本物理并未被完全了解清楚，从而也限制其应用前景的进一步拓展。 申请人拟借助课题组在电磁超表面研究方面的深厚积累，抓住电磁超表面中角度色散这一关键科学问题，开展电磁超表面中角度色散物理根源及利用这一新的自由度实现更有效、自由调控电磁波的研究。为此，我们拟结合理论、模拟及实验，开展如下研究：1）基于简单“人工原子”构建的周期性超构材料体系的角度色散研究；2）由复杂“人工原子”构建的周期性超构材料体系的角度色散研究；3).角度色散调控结合具有复杂排列方式超表面对光场调控的应用研究。

利用电磁超表面（metasurfaces）调控光场行为既有基础理论意义和广泛应用前景。然而电磁超表面中的角度色散，即电磁超表面的电磁响应强烈依赖入射角度这一基本特性的基本物理并未被完全了解清楚，从而也限制其应用前景的进一步拓展。本项目针对如何理解和充分利用超构表面的角度色散这一关键科学问题，取得了以下研究成果：1）揭示并实验验证了超构表面角度色散的物理根源及其对电磁波的调控规律；基于超构表面的角度色散调控，提出并实现一些角度依赖的电磁波调控器件；2）建立了基于第一性原理的开放体系耦合模理论，为实现具有特定电磁辐射特性的复合型人工原子体系奠定了理论基础；3）提出并实验验证了基于复合相位超构表面构建复杂矢量光场的新方法; 4) 撰写多篇超构表面相关综述论文。.. 在本项目支持下，项目团队共计发表论文19篇，其中包括Light：Science & Applications 4篇，Advances in Optics and Photonics 1 篇，Nanophotonics 3篇，Research 1篇，Advanced Science 1篇，Science Bulletin 1 篇和Advanced Photonics1篇等SCI论文，申请并获得国家发明专利授权3项, 培养博士2人。2019年，项目团队“超构表面对电磁波的调控” 项目于2019年获得国家自然科学二等奖（3/5）。受邀在国内外相关学术会议上做邀请报告5次。