奇异光学现象在单层粒子排列中的理论实现与特性研究

特异电磁材料（meta-materials）能够表现出诸多自然界常规电磁材料所无法实现的奇异光学现象。在单层粒子排列中实现这些奇异现象，有其独特的理论和应用价值，以负折射为例，传统的负折射中，沿负方向折射的光只能在特异电磁材料内部实现,而单层负折射中,负方向折射的光与入射光同在背景媒质中传播，更易被利用。本项目拟采用严格的多重散射方法,以高ε介质柱/球作为基本的结构单元，利用粒子在不同共振态下的共振对称性，设计比传统特异电磁材料结构更简单、更易于加工、吸收损耗极低、可在光频段操作的宽频带全介质人工材料，实现单层负折射及其它奇异光学现象。具体的研究内容包括：（1）单层负折射的物理机理探讨；（2）实现宽频带负折射的方案研究；（3）单层排列中回射现象（retro-reflection）研究；（4）几种光学二极管及各种其它光学元件在单层排列中的实现。

项目探讨了单层柱子排列中的负透射、全角全反射、特定角度下全反射三个光现象，同时也研究了多级源实现的电磁隐身和电磁假象，以及金属面结构粒子的散射共振特性。在理论探讨方面，本项目的研究获得了如下结论：1. 通过对单层粒子排列中光现象的研究，我们发现高折射率介质粒子内可激发起旋转偶极子，这一结论不仅成功解释了我们在单层粒子排列中发现的所有光现象，也展示出高折射率介质柱可能存在的其它重要应用。2. 我们发现，复原胞结构内不同半径粒子的兼并共振，可以拓宽由该复原胞结构构成的单粒子层材料的工作频带。3. 我们推广了线结构中电磁散射共振的回路理论，使这一理论可以用来解决圆盘、圆形环面等面结构的散射共振问题。在研究方法上，出于项目进展的需要我们掌握了多种方法并发展了相应的程序，这主要包括耦合模式理论、层多重散射方法。这些方法也将是以后研究的重要工具。