混合光轴方向卷曲空间电磁特异介质的特性研究

Metamaterials with the rich dispersive parameters can satisfy the transformation optical devices. However, the simplicity of the materials and the functionality of the devices prevent the advance of each other. In this project, only one kind of anisotropic material with tunable optical axis is introduced as a pixel to construct metamaterial units which are with different effective medium and can be used for a series of area-preserving transformation optical devices. The tunable optical axis of the pixel is a hidden freedom. The anisotropy can be supplied by the metamaterial by coiling up space (PRL_108_114301_2012) proposed by applicant. This project will focus on the mechanism of building anisotropic pixel with tunable optical axis by coiling up space, then group the pixels with different optical orientations to form metamaterial and study the adjacent effect of the pixels with microstructure, the method and effective medium of the array with pixels with mixing optical axis, and experimentally demonstrate the effective medium property. Finally, the scheme of transformation optical devices can be obtained. This project can advance the metamaterial and transformation optics, build up the foundations for the simplicity and functionality of the novel information devices.

特异介质以丰富等效材料色散满足变换光学器件设计对材料的要求。然而，多样化器件功能与简单化材料组成，成为互相束缚因素。本项目立足于运用一种光轴方向可调的各向异性等效材料作为像素元构建特异介质，实现多种等效材料特性，满足一系列面积守恒(Area-Preserving)变换的器件需要。像素元的光轴方向，是其中隐藏的自由度。所需的各向异性可由申请人提出的卷曲空间特异介质(PRL_108_114301_2012)实现。本项目将研究卷曲空间原理构建具有可调光轴方向各向异性像素元的机制，混合具有不同光轴方向的像素元形成以像素阵元为单元的特异介质，研究邻近像素元微结构几何特征与其相互作用的响应特性，混合若干具有不同光轴方向的像素元组成像素阵元的方式及相应等效材料理论，并进行材料特性实验验证，给出变换光学器件设计方案。这将促进特异介质与变换光学理论发展，为新型信息功能器件制备简单化与功能丰富化奠定相应基础。

按照研究计划，项目组对卷曲空间原理的拓展、应用、波动传播路径的控制机制、各向异性特异介质结构及其等效材料参数、变换光学理论等问题进行了探索。获得了一种可旋光轴的各向异性特异介质单元结构像素设计方案以及组合像素实现新的等效介质方案，并厘清了像素组合方案的适用条件，在此基础上提出了基于该种单一特异介质单元结构所能实现的变换光学波束平移器、超表面幻象光学器件、超表面调焦效应、超表面隐身衣的设计方案。应用卷曲空间原理对波动的控制，实现了由卷曲空间通道组成的各向异性超原胞人工微结构，实现类似变换光学原理的对点源的平移、变换、劈裂效应并实验验证。拓展卷曲空间原理到弯曲空间，利用空间曲率控制波的传播，实现了变换光学下的空间虫洞现象并实验验证。基于各向异性效应的调控原理，利用圆柱井微结构调控磁偶极子的激发，使磁共振模式不受磁偶极子方向的影响，实现各向同性的磁Purcell效应。部分研究结果发表在包括2篇Phys. Rev. Lett.、1篇ACS Photo.、1篇Opt. Lett.等8篇期刊论文上。上述研究的主要意义在于降低信息功能器件对原始材料组份本构参数的依赖，探索以纯几何结构实现对波动现象调控的可能，有关的研究成果朝这一目标实现的方向又推进了一步。