基于吸波超构材料调控光辐射的探索研究

Absorption is a basic optical process. Metamaterials provide unique advantages for optical absorption and have pushed forward its fast development, which composed of subwavelength structure units can flexibly realize nearly any effective permittivity and permeability. In this project, the main goal is to develop special metamaterial absorbers, and explore their potential capability in controlling optical radiation. Special metamaterial absorbers will be realized, such as one of narrow-bandwidth absorption insensitive to the incident angle, one of two absorption peaks for which there are strong localized fields at the same position, and one sensitive to the circular polarization of incident light. And then, based on metamaterial absorbers, thermal radiation will be controlled to obtain a narrow-bandwidth thermal radiation peak insensitive to the radiation angle, and make thermal radiation output possess some circular polarization state; fluorescent radiation will also be controlled to enhance the fluorescent output by simultaneously increasing the pump rate and spontaneous radiation rate, and make fluorescent radiation output possess some circular polarization state. The above research can improve the further development of metamaterial absorbers to play an important role in many areas, such as sensing, photonic detection, and solar energy.

光吸收是一种基本的光学过程。能灵活地实现几乎任意的等效电磁参数、由亚波长单元构成的人工超构材料(metamaterial)在吸波调控方面有独特的优势，带来了光吸收研究的快速发展。在本项目中，我们的主旨是在发展超构材料的特殊吸波能力的基础上，探索吸波超构材料在光辐射调控方面所能发挥的重要潜在能力。将实现特殊形式的吸波超构材料，包括吸收峰对入射角不敏感的窄带吸波超构材料，能在同一区域产生强局域场的具有双吸收峰的吸波超构材料，以及对入射波的圆极化态敏感的手性吸波超构材料。将利用吸波超构材料对热辐射的特性进行调控，获得辐射峰对辐射角不敏感的窄带热辐射，及以圆极化光形态进行辐射输出的热辐射；对荧光辐射的特性进行调控，通过同时提高光泵浦速率和自发辐射速率以增强荧光辐射，及获得以圆极化光形态进行辐射输出的荧光辐射。这些研究能推动吸波超构材料的进一步发展，以在传感、光探测、太阳能等领域能发挥重要作用。

吸波是一种基本光学现象，有重要的现实应用，如隐身、探测、传感和热能利用等。人工超构材料为吸波调控提供了灵活、有效的新途经，并促进了相关器件的发展。本项目旨在通过引入各种手段发展基于超构材料的特殊吸波方式，并进而探索这些方式在热辐射、荧光辐射调控等方面所能发挥的积极作用。突出成果如下。1）发展吸波的动态可调方式。如通过热处理使含钛膜的多层结构对光的吸收率发生变化，实现加热阅读和读后焚毁的新结构着色方式；在硅波导上级联相变材料圆盘，利用共振增强的吸收和泄露实现了紧凑、高对比的非易失片上开关。动态可调的吸波（特别是像素化电可调）是很有应用前景的，如可应用于热光源与热隐身等领域。2）通过引入特殊共振方式实现特种吸波器。如在金属-介质-金属三层结构上，利用顶部金属片之间的狭缝与间隔层中的横向共振组合实现了约五百分之一波长厚的超薄吸收器。这不仅可用于实现超薄探测器，也能启发利用复合结构去解决波长不敏感方向性热辐射这一难题。3）基于介质纳米天线发展吸收与辐射的调控方式。如利用各种共振相干叠加效应实现无需反射基底的完美吸波，拓展了相关理论体系；利用准连续域束缚态促进介质超表面与和二维材料的强耦合，使吸收光谱呈强反交叉；利用局域共振和周期耦合既调高泵浦效率又加快荧光辐射，实现上转换荧光的四百余倍增强。这为调控光与物质相互作用打开了新大门，如实现超小探测器和用增强的介质非线性实现脉冲激光。4）拓展对基于手性介质超表面实现本性手性的认识。如设计出宽带高反手性介质超表面并构造奇特手性腔。该方面研究可用于实现高圆极化分辨的吸波和辐射。5）通过引入梯度型超表面发展光辐射调控方式。如用超表面模拟凹面镜实现平面-平面型紧凑稳定开放腔；将超表面与光纤阵列集成，实现了大角度、高效的紧凑扫描模块。这也能启发利用共振梯度型超表面实现对热辐射模式的调控。总之，吸波超构材料有丰富的物理内涵，在辐射调控等方面有巨大潜力，值得深入研究。