三维手性超构材料光学性质的研究

In this project, both experimental and theoretical work will be carried out to explore three-dimensional chiral metamaterials. A variety of metamaterials will be designed to realize negative refractive index, electric/magnetic response switching and optical activity. In this project, electron beam lithography, two-photon femtosecond laser lithography will be used for sample fabrication. Optical spectrometers, focal plane array and cathodoluminescence spectroscopy will be used for the sample characterization. We will investigate the physical mechanism of the electromagnetic resonance of 3D chiral metamaterials in different designs and excitations. New optical phenomena caused by the near-field coupling will also be discussed in this project.

本项目拟围绕三维手性超构材料研究，设计工作频率在红外-可见波段的三维手性超构材料，实现负折射、电/磁响应转换及人工旋光等物理功能。本项目将利用电子束光刻、飞秒脉冲双光子直写技术等微加工方法进行微纳样品的制备；将利用光谱仪、焦平面阵列和阴极射线发光成像等表征手段对样品进行表征分析。本项目实验和理论相结合，重点聚焦在三维超构材料不同结构设计、不同激发方式下金属微结构中电磁共振的物理机制以及由近场耦合所导致的各类新颖光学现象。

基于传统光学晶体制造的光学器件由于物理原理限制而无法小型化被集成到下一代微纳米尺度的信息光学系统。本项目针对于此开展研究并提出了一套基于三维人工微纳结构的光学调控方案。在项目执行过程中结合计算仿真模拟、微纳米加工和多种光学表征方法开展了理论和实验相结合的研究，获得了如下成果：..1）设计了基于二维和三维超构材料的宽频无色散波片。通过位相共轭的物理方法，实现了金属材料宽频无色散波片结构，所制备的四分之一波片和半波片结构可以获得左、右旋圆偏振等多种光学偏振态。..2）设计了基于完美吸波超构材料的光学偏振态调控，实现了三维金属薄膜结构的完美能量吸收。通过改变结构的拓扑对称性，对反射光的光学性质进行了有效调控。..3）设计并利用了人工微结构中等离激元振荡的时间延迟效应，同时实现了透射光的位相差和振幅比。实现了光线垂直分量位相差随频率线性变化，进而提供了一种全新的偏振态调控方式。..4）实验实现了基于超构表面的圆偏振分束。通过调控基本结构单元的旋转分布组成超构表面，入射线偏振光分解为两束手性相反的圆偏振反射光，有效实现高频、宽带、低损耗的光学偏振性质转化。..5）利用红外焦平面阵列显微成像技术对三维超构材料的光学调制进行了直观的优化和检测，同时利用了阴极荧光光谱技术，对于氧化锌光波导的能量传输和振荡模式进行了探究。..该项目的研究成果为基于微纳光子学的进一步应用，特别是人工微结构光学器件的小型化和集成化提供了一定的理论基础和技术积累。本项目完成研究论文12篇（均已经按照规定标注资助项目号），其中包括1篇Advanced Materials, 1篇Phys. Rev. X，5篇Phys. Rev. B， 1篇Appl. Phys. Lett.。另外项目申请并获得专利授权3项。