基于全介质超材料多阶米氏谐振的太赫兹偏振器件研究

Manipulation of polarization states of terahertz wave via metamaterials has attracted intense research attention. The design of metamaterials and the control of polarization are of great importance in polarized signal transmission, sensitive detection and compact terahertz optical systems. As of today, it is still challenging to realize terahertz polarization control devices with broad bandwidth, low insertion loss, large phase tuning range and multi-function operation. To solve these issues, this proposal focuses on designing all-dielectric metamaterials with multipolar Mie resonances and realizing highly efficient terahertz polarization control devices. The constructive and destructive interferences among the multipolar Mie resonances in the far field are applied to increase the transmission efficiency. The phase tuning range can be enhanced with continuously adjustable phase delay in the anisotropic design because of different combinations of multiple resonance modes in different directions with different low index materials around the dielectric resonators. Broad working bandwidth and multifunction terahertz meta-devices can be further demonstrated via the anisotropic design. This project concentrates on building up physical models to describe multipolar Mie resonances in terahertz all-dielectric metamaterials, realizing highly efficient terahertz polarization manipulation devices and guiding the design of multipolar-Mie-resonances-assisted terahertz meta-devices.

基于超材料的太赫兹偏振调控器件是当前的热点研究领域之一。超材料对太赫兹偏振信号调控与传输，精密偏振探测和光学系统集成具有重要的意义。如何有效减小插入损耗，拓宽工作带宽，增大相位调制幅度，实现多功能太赫兹调控器件是目前研究的重点和难点。本项目拟设计具有多阶米氏谐振模式的各向异性全介质超材料实现高效宽带多功能太赫兹偏振调控。多阶米氏谐振模式提供了多个自由度，利用各阶谐振模式的对称性和反对称性在远场的反射场相干相消和透射场相干增强，提高器件的透射效率。米氏谐振体周围的环境介质折射率变化可以展宽各阶谐振模式，实现宽带的相位连续可调。各向异性的结构设计可在垂直极化方向实现多阶谐振模式的不同叠加组合，增大相位的调制范围，拓宽工作带宽，实现多功能宽带太赫兹偏振调控器件。本项目旨在建立基于全介质超材料多阶米氏谐振对太赫兹波调控的数理模型，为全介质超材料在太赫兹偏振器件的应用提供理论指导和技术支撑。

基于超材料的太赫兹偏振调控器件是当前的热点研究领域之一。本项目通过设计具有多阶米氏谐振模式的各向异性全介质超材料实现了高效宽带多功能太赫兹偏振调控。理论和实验证明各向异性全介质超材料可以有效激发不同的多阶米氏谐振模式，包括电偶极子、磁偶极子、电四极子、磁四极子等。本项目提出利于各阶米氏散射模式具有的不同空间散射对称性，实现不同米氏谐振模式的散射场相干叠加。本项目通过设计微结构中多阶米氏谐振模式的协同相干耦合作用，实现了太赫兹的强度、相位和偏振的调控。多阶米氏谐振模式提供了多个自由度实现相干耦合效果，突破传统的电偶极与磁偶极二元相干耦合的严苛限制条件，同时各阶谐振模式的协同耦合，相互平衡可提升太赫兹器件的工作效率，拓宽相位调制幅度，实现多种功能。本项目同时积极拓展了相变材料、金属材料和自旋电子学材料等不同材料体系对太赫兹偏振调控的机制研究，实现了多功能动态调控的太赫兹偏振调控器件。本项目中研究的太赫兹偏振调控数理模型为太赫兹偏振器件的应用提供理论指导和技术支撑。项目实施过程中，共发表SCI论文6篇，撰写了一本英文学术专著中一个章节，获受理发明专利3项,在国际会议上做邀请报告1个。