金属微结构体系中光学奇异点的微观模型、新现象以及所引致的光场调控应用

An exceptional point is a point degeneracy of both eigenvalue and eigenvector of a non-Hermitian Hamiltonian in parameters space, which exhibits drastic difference between Hermitian and non-Hermitian systems, implies rich physics, and leads to many novel phenomena. In this project, we focus on the physics and novel phenomena associated with the exceptional point in the metallic structure system. Based on the coupled mode theory, we build the microscopic model of the exceptional point, generate the exceptional curve in the parameters space, and explore novel phenomena associated with the existence of exceptional point or curve. Based on the rich physics of the exceptional point or curve, we plan to manipulate the optical field with nano-micro scale resolution, and provide the new idea and approach for wave front manipulation.

奇异点(Exceptional Point)是在参数空间中非厄米哈密顿量(Non-Hermitian Hamiltonian)的本征值和本征态同时简并的点，是非厄米哈密顿量区别于厄米哈密顿量(Hermitian Hamiltonian)的一个显著特征，蕴含着丰富的物理，导致了许多新颖效应的发生。本项目将紧紧围绕着光与金属微结构体系相互作用过程中出现的光学奇异点的物理内涵及其所产生的新颖光学效应展开研究。基于耦合波理论,建立能够阐释多类金属微结构体系中光学奇异点的微观物理模型,通过理论计算、数值模拟、可能的实验验证，生成具有丰富物理内涵的光学奇异曲线，同时深入发掘光与金属微结构相互作用过程中与光学奇异点和奇异曲线密切关联的新奇光学现象。围绕着光学奇异点和奇异曲线的丰富物理特性，基于金属微结构体系，开展纳微米尺度光场的精细调控研究，为拓展光场调控提供新思路和新途径。

奇异点是在参数空间中非厄米哈密顿量的本征值和本征态同时简并的点，是非厄米哈密顿量区别于厄米哈密顿量的一个显著特征，蕴含着丰富的物理，导致了许多新颖现象的发生。本项目以光与金属微结构体系相互作用为中心，理论上建立了能够严格、定量地描述微结构体系中光学奇异点以及光场调控的微观物理模型。理论上指出了微结构体系光学奇异点存在的条件，确立了光学奇异点与宏观光学现象间的对应关系，同时发现了波前调控的关键制约因素，并提出相应的解决方案。在合适的参数空间，理论上研究了微结构体系不同种类的光学奇异点，提出了测量奇异点拓扑结构的新方法，生成了由光学奇异点构成的光学奇异曲线，特别是奇异环和奇异双曲线，展现了其对应的宏观光学现象。提出了相干控制的技术手段来克服单层微结构体系光场调控的难题，实现了微结构体系光场的多物理量（振幅、位相以及偏振）高效动态调控，设计出了若干光学波前调控的超薄原理型器件加以数值与实验验证。