各向异性超材料的太赫兹宽频慢光性能研究

Terahertz waves can not be practically applied due to the extreme lack of functional devices, although it has great potential applications in physics, materials science, communications, etc. In recent years, artificial metamaterials have shown great potential in terms of developing terahertz functional devices, hence generating a broad range of research interest. However, owing to the restriction of electromagnetic resonance, these devices can only work within a narrow bandwidth, which limits their application field. This project intends to explore the design of novel terahertz wide-band slow light waveguides based on metal/dielectric multilayer anisotropic metamaterials, and further construct periodical metamaterials to realize broadband coupling with terahertz waves, and then reduce its propagation velocity.These novel slow light structures are capable of realizing wide-band slow light,completely different from the dependence on a single frequency in terahertz metamaterial slow-light structures based on electromagnetic resonance reported before.The key point of this project is to develop novel terahertz metamaterial slow light structures and extend the working bandwidth of slow light, thus providing the theorectic guidance to design terahertz high-performance slow light devices by clarifying its intrinsic mechanism, and benfiting to practical applications of terahertz slow light devices as well.

太赫兹波在物理学、材料科学、通讯等领域具有重大的应用前景，但是由于极其缺乏功能器件导致无法得到实际应用。近几年，人工超材料在开发太赫兹功能器件方面展现出巨大的潜力，引起了广泛的研究兴趣。然而，这些器件受到电磁共振的制约只能窄带工作，限制了器件的应用领域。本项目拟探索利用金属/电介质多层结构的各向异性超材料设计新型太赫兹宽频慢光波导，进一步构建周期性超材料，实现对太赫兹宽频光波的耦合，并降低传输速度。与已经报道的超材料太赫兹慢光结构相比，此新型慢光结构是基于各向异性超材料实现慢光的原理,可以彻底摆脱基于电磁共振的超材料慢光对单一频率的依赖，实现宽频慢光。本项目的创新点在于设计新型太赫兹超材料慢光结构，拓宽慢光的工作频带，通过研究其宽频慢光工作机理,不但为设计高性能太赫兹慢光器件提供理论基础,而且为其实用化具有一定的指导意义。

摘要.在国家自然科学基金的资助下，我和项目组的成员一起，系统地开展了微纳米光学方面的相关研究工作，取得了一系列原创性研究成果，在物理光学领域共发表SCI期刊论文19篇。具体成果如下：.(1).我们对双曲色散超材料(HMM)波导结构进行了全面深入地研究。在基于HMM实现宽频慢光的研究中，针对单一尺寸的HMM慢光器件工作带宽的限制，我们提出通过将多个不同尺寸的HMM波导进行级联的方式可以极大地拓宽HMM波导的慢光频带。并利用慢光导致的吸收效应，构建了太赫兹到红外波段以及微波波段的宽频吸收器件，分别能实现1-30THz和2.3-40GHz的超宽带吸收。在该领域发表SCI论文3篇。.(2).我们利用双曲色散超材料波导阵列垂直侧壁支持表面波具有传播常数大、透射率高的特性，拓展了双曲色散超材料在对透射电磁波振幅、相位与偏振控制方面的应用。实现了高效的波前控制器件和偏振控制器件，发表SCI论文4篇。.(3).我们提出利用金属超表面实现表面波到传输波的转化可以克服光栅结构高阶衍射导致的低效率问题。并通过将金属超表面摆放在亚波长金属小孔两侧，实现了高衍射效率的小孔出射准直光束。在相关领域发表SCI论文3篇。.(4).此外,我们还利用平面超材料在波导中的应用进行了深入研究。通过在硅基波导中插入石墨烯，我们实现了超短、低插入损耗和高消光比偏振器，动态可调的偏振分束与旋偏器，动态可调的片上电磁诱导透明等器件。在该领域发表SCI论文9篇。