粒子光散射行为的控制方式探讨及潜在应用研究

Exploiting the factors that have an effect on the scattering behavior of microparticles has unique theoretical value in realizing some fascinating optical phenomena and achieving ultrathin subwavelength optical structures. This can be understood from the fact that the optical scattering properties of microparticles play the fundamental roles in manipulating light, as a basic constituent unit of artificially structured optical materials such as photonic crystals and metamaterials. The applicant have demonstrated that the angular momentum channels with the opposite sign inside high-refractive-index dielectric particles can be nearly independently manipulated and used the mechanism to construct thinner subwavelength structures than photonic crystals and metamaterials. In this proposal, we will study the new control way of the optical scattering behavior of particles based on the angular momentum channels and demonstrate its potential applications in constrcuting artificially structured optical materials. The research contents include: (1)achieve the novel optical scattering behavior of particles by researching its dependence on the interaction between the different angular momentum channnels; (2)study the relation between the ultralthinn subwavelength artificial structures and the optical scattering control based on angular momentum channels, and construct the subwavelength structures; (3)study the relation between the several classical artifically structured optical materials and the optical scattering control based on angular momentum channels, and enhance their freedom degree of controlling the optical propagation.

深入探讨影响微粒子光散射行为的因素，在实现一些新奇光学现象和获得超薄亚波长光学结构方面具有独特的理论价值。这主要是由于，微粒子是构成包括光子晶体和电磁特异材料在内的人工光学材料的基本单元，它的光散射性质对人工光学材料中的光学现象有基础性调制作用。项目申请人的研究已发现，高折射率介质粒子光散射时相反符号的角动量通道可以近独立地发挥作用，并据此设计出了比光子晶体和电磁特异材料更薄的亚波长光学结构。本项目拟在探讨新的基于角动量通道的粒子光散射控制方式的同时，进一步展示其在人工光学材料构造上的潜力。具体的研究内容包括：（1）探讨角动量通道间的各种相互作用对光散射的影响，获得新颖的光散射行为；（2）探讨超薄亚波长人工结构与粒子光散射角动量通道控制的关系，并构造新的亚波长结构；（3）探讨几种经典人工光学材料与粒子光散射角动量通道控制的关系，并拓展这些材料操控光的自由度。

光学器件微型化和光路集成是纳米光子学发展的动力，人工光材料虽只有微纳尺度，但对光波可以表现出超乎寻常的操控能力，因此成为纳米光子学的重要研究方向。人工光材料从最初远大于波长的光子晶体、超材料等微纳粒子阵列，发展到表面等离子体和超表面这样的二维界面，其尺度也得以进一步缩小。金属、石墨烯的表面等离子体激元，以及近来备受关注的超表面只有单粒子甚至单原子层厚度。项目负责人已提出基于旋转偶极子的单层介质柱阵列操控光机制，并分别实现了光的负透射和全角全反射，两个工作先后发表在Physical Review Letters上。鉴于纳米粒子光散射行为在操控光波中的基础作用，本项目中，我们从深刻理解参与纳米粒子光散射的主要角动量通道出发，开发纳米结构操控光波的新机制。项目研究内容从各角动量通道的独特机制、角动量通道间的相互作用、及角动量通道作用机制在几种经典人工光学材料中的应用三个方面分别展开。在研究角动量通道独特机制方面，我们实验验证了项目申请人之前的负透射工作，揭示并证明了高折射率柱子内±1角动量通道不对称时，旋转偶极子的形成以及其奇特的操控光波能力，文章发表在Nano Letters上。在探讨角动量通道作用机制在几种经典人工光学材料中的应用方面，我们提出角动量通道的1/4周期延迟响应效应，并据此实现了单个柱子的自隐身，以及可通过外加静磁场调控隐身与非隐身状态的光子晶体，文章以Letter形式发表在Physical Review Applied上。这些工作在机制上不同于超材料、超表面等主流操控光波方法，是全新的操控机制。这些工作完全基于介质材料，极大地降低了纳米结构的光吸收损耗，且每个结构都可以以垂直于衬底的柱阵列形式来实现，是对光的共面操控，特别适合设计可用于光路集成的光学单元。