基于超材料的红外偏振调控器原理研究

The technology of tailoring the polarization state of infrared electromagnetic wave has significant value in quality control of laser beam, enhancing sensitivity of spectrograph detecting, improving quality of polarization imaging, recognizing true and false, strengthening ability of optoelectronic warfare. etc. However, Tailoring the polarization states of light with nanoscaled structures is still a challenging task, which is limited by structure design and fabricating method. There is a need to further study for improving the efficiency and broaden the bandwidth. Based on the flexible electromagnetic response and controllable tailoring ability of metamaterial, this project aims at researching the metamaterial with Fabry-Perot cavity formed by stacked metal-dielectric pairs to improve and broaden the ability of electromagnetic wave manipulation, thus simultaneously realize high efficiency and flexible infrared polarization control. With the methods proposed in our work, we will simultaneously research the control of polarization and phase with nanoscaled structures to obtain the desired polarization states in order to obtain the polarization converter with high efficiency. The work has a great significance to promote the development of tailoring the polarization state of infrared electromagnetic wave, ultrasensitive detection, micro-nano optoelectronic integration and optics communication.

红外偏振调控技术在控制激光光束质量、增强光谱仪探测灵敏度、提高偏振成像质量、识别真伪、强化光电对抗能力等方面具有广阔的应用前景。目前关于红外偏振调控的研究，尤其是实现纳米尺度上对光偏振态的调控，仍然是一个具有挑战性的任务。该项研究受结构设计与研制方法等因素制约，在增强调控效率和拓展操纵带宽等方面还需要深入研究。超材料具有丰富的电磁响应特征和灵活的光束调控能力，本课题提出设计由多层金属和介质形成的Fabry-Perot腔超材料结构，提高和拓展对电磁波束的调控能力，同时实现红外波段位相和偏振的高效、灵活调控。基于提出的这种对红外波段光束偏振调控的新方法，课题将在纳米尺度上同时研究对光束偏振方向的控制和位相调制，从而获得所需偏振态的红外偏振光，最后实现一种基于这种新型超材料结构的高效红外偏振调控器。该项工作的研究对推动红外偏振调控、超灵敏探测、微纳光电集成、光通信等技术的发展具有重要意义。

红外偏振调控技术在控制激光光束质量、增强光谱仪探测灵敏度、提高偏振成像质量、识别真伪、强化光电对抗能力等方面具有广阔的应用前景。然而，目前关于红外偏振调控的研究，尤其是实现纳米尺度上对光偏振态的调控，受结构设计与研制方法等因素制约，在红外偏振调控器原理和设计等方面还需要深入研究。.针对上述问题，重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室，在国家自然科学基金的资助下（项目批准号：61575032），提出一种利用超材料对红外波段的光束进行偏振调控原理，此基础上，重点围绕超材料红外偏振调控原理、设计方法、工艺制备技术以及性能表征中存在的关键科学问题与技术难点开展了较为深入而系统的研究。已较好的完成预期研究目标，取得以下研究成果： .（1）通过研究分析超材料的结构形式、方向位置和几何参数变化对电磁波偏振的影响规律，并结合严格电磁分析理论，建立了典型结构单元对电磁波偏振数理模型；针对特定的偏振调控需求，开展了多种超材料单元电磁调控原理验证，为实现基于超材料的红外位相和偏振的高效、灵活调控原理研究，提供了重要理论参考依据。.（2）在建立超材料电磁调控数理模型及电磁分析研究基础上，开展了超材料红外偏振调控器件设计研究，针对不同的入射偏振光及红外偏振调控需求，设计了多种功能的红外偏振调控器，为超材料电磁波束器件的设计提供了重要参考。.（3）在仿真基础上，开展了超材料高性能红外偏振器的制备。重点针对超材料在红外波段偏振调控器件难以加工的问题，探索出红外波段偏振调控器件加工的新方法和新工艺。.（4）针对设计的红外偏振调控器开展了性能表征研究，搭建了实验测试系统，进行了红外偏振调控特性表征。.该研究拓宽了超材料红外偏振调控器的原理研究，对推动超材料电磁调控器设计和制备方法的进步、超材料偏振调控器件的实用化进程、以及微纳光电集成、光通信等技术的发展具有重要意义。在国内外权威期刊和国际学术会议上发表高质量学术论文19篇，其中SCI检索15篇，EI检索2篇；申请中国发明专利2件，获权2件；培养硕士生5人，其中3人已毕业；培养博士研究生5人，其中4人已毕业。