手征人工电磁媒质的偏振调控研究

Manipulating polarizations of optical fields is essential in liquid crystal display, satellite communication, radio frequency antenna systems and coherent optical systems. Polarization manipulation by using metamaterials is a new and promising research field, which has attracted increasing attention in nowadays. Based on the chirality and anisotropy of unit cells, metamaterials can effectively control the polarization states from microwave to optical frequency. Moreover, utilizing metamaterials can help to realize the miniaturization of optical devices, which is of crucial importance in the integrated photonic circuits. In this proposal, our tasks are divided by two related stages. First, we pursue to establish a theoretical model to describe the polarization controlling by using chiral metamaterials and design each polarization controller specifically. Second, we want to utilize chiral metamaterials to implement active photonic devices with novel functionalities. For example, we want to achieve a circularly polarized lasing by using chiral metamaterials in the optical microcavity of semiconductor lasers.

光的极化特性在液晶显示，卫星通讯，射频天线系统以及相干光学系统中扮演着重要的角色。基于人工电磁媒质的光极化调制是一个崭新的领域。通过在单元结构中引入手征性和各向异性,人工电磁媒质可以表现出丰富的极化调控特性。基于此实现的偏振控制器和转换器件具有很强的灵活性，只需合理地调整单元结构和尺寸就可以在任意的频段实现有效的偏振调控。同时其尺寸具有亚波长的特性，便于实现器件的小型化以及和其他元件的集成。在本项目中我们将建立手征人工电磁媒质的偏振调控的理论模型，设计并优化各类偏振控制器件。同时,我们将探索把手征人工电磁媒质运用在主动光子元件中，并研究其产生的奇异现象。例如我们希望通过在半导体激光腔中引入手征人工媒质从而实现单一圆偏极化的激光谐振腔。

极化是光的一种重要特性，它在光通讯、卫星通讯以及液晶显示等领域具有重要的运用。由于人工电磁媒质对电容率和磁导率的较强的调节能力，它已经被运用于的光极化调制领域。在这个项目中，首先我们设计了基于人工电磁媒质的光学谐振腔，在腔内只有一个圆偏振光将会产生共振模式。这种圆偏极化的选择特性源自于其中一个特殊反射镜，其两个本征的反射模式为同一圆偏振模式。当腔内的半导体增益材料的增益系数达到一定值时，就会在腔体外产生圆偏振的激光。同时，我们验证了当腔体内产生受激辐射时，在有源区域中半导体的电子会产生自旋极化的现象。自旋极化的电子是通过载流子与自发圆偏振光子的相互作用而产生的而不需要初始的自旋极化载流子注入。在该系统中电子自旋极化的产生不需要通过外加强磁场来打破时间反演对称，而仅仅利用了系统结构的手征性实现。其次，我们提出了通过手征材料中的圆偏振光的相干吸收来实现偏振控制。基于手征性的人工电磁媒质，我们设计了太赫兹波段的相干吸收器。它在特定的工作频率上，其所有的散射本征模式本征值都为零。当两束线偏振的相干光束入射到结构中时，通过调节入射光的相位差可以实现对出射光的偏振控制，同时出射光的光强保持相对稳定。该偏振控制的方式在太赫兹波段的成像、光谱分析和偏振仪上具有潜在的运用。