三维微纳螺旋结构电磁超介质（Metamaterials）的光学特性研究

微纳螺旋结构电磁超介质（Metamaterials）具有显著的圆偏振二向色性，且响应波段范围宽、结构紧凑，能够应用于宽带圆偏振器件的制备，近年来逐渐成为国际上的一个研究热点。目前研究主要集中在单螺旋结构上，对于其光学特性的产生机理以及结构参数的影响因素还没有进行深入系统的研究。另外单螺旋结构10dB左右的信噪比与消光比还有待进一步提高。我们前期的研究结果表明，与单螺旋结构相比多螺旋结构电磁超介质有更优越的光学性能（带宽增加50％，信噪比提高2个数量级）。因此本项目拟进一步深入研究微纳螺旋结构电磁超介质的光学特性，包括：进一步完善多螺旋结构光学响应的数值模拟；并对椭圆螺旋结构、反射光特性等新结构、新问题展开研究；探索建立描述其光学特性理论模型的方法；最终实验上完成微米/亚微米级螺旋结构的制备和测试。本项目对促进电磁超介质的深入研究和其在相关领域的实际应用将产生一定影响。

超材料（Metamaterials）是近十多年出现的一种新型人工电磁材料。它主要通过在自然媒介中嵌入人工设计的几何结构电磁单元来实现对各种物理量的调制，从而获得新奇的电磁特性，如负折射率、理想成像、逆多普勒效应、反常切连科夫辐射效应、非对称传输、电磁诱导透明等。基于这些电磁特性，超材料在很多领域具有巨大的潜在应用价值，可用来构造隐身斗篷、吸波器件、隔离器、等离子体传感器、偏振转换器件等。2009年J.K Gansel等人首先发现了金属螺旋结构超材料的宽频圆二向色性，随后，许多研究团队也对其进行了广泛地研究和报道。本项目主要针对螺旋结构与开口谐振环结构超材料，深入开展了光学特性的理论分析与实验研究。项目实施期间共发表相关学术论文16篇，其中SCI论文12篇，申请并获批国家发明专利3项。主要研究成果如下：.(1)利用时域有限差分算法（Finite Difference Time Domain, FDTD），系统地开展了对单、双、三和四螺旋结构超材料的透射和反射特性的数值仿真，并由透射和反射特性推导出它们的吸收特性。根据对螺旋结构超材料的吸收特性的研究以及当前光学吸波材料的研究方向，我们首次提出将三螺旋结构超材料用于制备具有宽频和偏振不敏感性的光学吸波材料;.(2)完善了螺旋超材料圆偏振器相对于线偏振片和四分之一波片组成的圆偏振器的两点不足。第一，设计了基于椭圆螺旋超材料的椭圆偏振器，扩宽了螺旋超材料的适用范围。第二，基于目前可制备的单螺旋超材料，提高了螺旋超材料的消光比；.(3)研究了双层不对称双开口谐振环的圆二向色性和圆转换二向色性，设计并实验完成了两种双层结构，增大了单层不对称双开口谐振环结构的两种圆转换率之间的差距；.(4)提出了左旋右旋组合螺旋超材料用作宽带圆偏振转换器的设计，该结构可以在红外波段表现出显著的圆转换二向色性，我们与德国KIT大学合作首次在实验上完成了该结构的制备与光学特性的测试。