新型超构材料调控电磁波位相、偏振和传播特性的物理机制

This project is targeting on the physics mechanism of metamaterials in tuning the phase, polarization, amplitude and transmission of electromagnetic waves. A novel ultratin electrochemical growth technique and a template-assisted electrochemical growth method will be applied to self-organize metallic periodic microstructures over a large area; a 3D focus-point-scanning bi-photon polymerization technique, together with conventional microfabrication approaches will also be applied to fabricate metallic 3D/2D structures. With spectrum characterization, FPA imaging, and simulations/calculations, we intend to understand the excitation, transportation and evolution of surface plasmon polaritons in these structures, explore the relation of electric resonance, magnetic resonance and their corresponding elementary excitations, etc.. By designing the sub-wavelength metallic microstructures and optimize the structural parameters, we expect to gain an efficient control of the phase, polarization, amplitude, and transmission of light over a broad frequency range.

本项目拟围绕亚波长金属微纳结构制备和光学性质，利用超薄电化学沉积和模板辅助技术制备大面积均匀二维单晶金属周期微纳结构；利用飞秒脉冲激光双光子聚合三维直写成型技术以及平面微加工叠层技术制备若干新型三维金属周期微纳结构；利用谱学表征手段并结合计算机模拟仿真，从实验和理论两方面深入研究电磁波在这些金属微纳结构中传播时元激发的产生和演化规律，探讨这些体系中电共振和磁共振与元激发（如表面等离激元与磁等离极化激元等）的关系，通过金属微纳结构的设计和参数优化，实现对电磁波位相、偏振态、传播方向和振幅在更宽频段上的有效调控，为集成光学的发展提供新原理、新结构和新型材料与器件。我们期望通过本项目的实施，能够更加清晰地认识和理解金属超构材料中元激发的产生与电磁响应规律，揭示超构材料体系中若干新现象和新效应的物理内涵和控制技术，探索以元激发作为新一代信息载体的可能性。

本项目旨在探索亚波长金属微纳结构材料中光和表面等离激元的全局和局域的传输规律、相互作用机制和新的物理效应。本项目执行期间发展了在任意形状非导电衬底上制备三维金属纳米线阵列的技术；发展了若干对超构材料的结构、形状和组合方式的调控技术，比如动态调控光的色彩和偏振的技术、利用立体共振纳米结构阵列实现光学编码和显示的技术、逐点激发阴极荧光的偏振调控技术；实现了宽波段的太赫兹偏振光的自由旋转操控、表面等离激元的分束与选择性传播、复合纳米结构中表面等离激元的能带调制和面内传播、全介质纳米结构充当亚波长透镜并操控表面等离激元的面内传播；揭示了若干新的物理效应，如光频等离激元的安德森局域化的物理原理、光子和激子的多模式耦合、光子诱导的载流子复合、具有光学轨道角动量的谐振腔模式、模式耦合对单层二硫化钼的光致发光增强效应，等等。在发现新的物理现象和原理，发展新的制备技术的基础上，本项目提出并证实石墨烯微管可以作为太赫兹波段的等离激元波导；提出并实现了宽带集成偏振旋转片、实现宽频无色散的四分之一波片、半波片、高性能光学分束器、宽频段光吸收器等器件和器件原型。本项目完成研究论文38篇（均已按规定标注资助项目号），其中22篇发表在Adv. Mater. （2篇）、Nano Lett. （1篇）、Adv. Opt. Mater. （1篇）、Phys. Rev. B （6篇）、Opt. Lett. （6篇）、Opt. Express（6篇）。项目完成专利7项，其中4项已获得授权，在国际和全国性学术会议上完成邀请报告10次，出站博士后1人，培养研究生8人。