中红外复合左右手超材料波导调谐机制及调制器件研究

Mid-infrared (wavelengths 3-30 µm) is of particular interests due to the presence of molecular fingerprint absorptions, thermal radiations and atmospheric windows. These special features enable various promising mid-infrared applications in chemical sensing, medical diagnosis and homeland security. Due to the lack of suitable optical components and/or their limited device performance, mid-infrared technology has not yet been fully utilized in reality. In order to address the challenge of modulating mid-infrared radiation, this project aims to develop VO2-based tunable mid-infrared composite right/left handed metamaterial waveguides based on the concept of microwave transmission-line. We will realize composite right/left handed waveguide modes in the mid-infrared, and demonstrate tuning of the metamaterial waveguide absorption by thermally and electrically triggering the insulator-to-metal phase transition of VO2. The proposed "Metal-VO2-Metal" composite right/left handed metamaterial waveguide has novelty in device structure, and provides a new approach for modulating mid-infrared radiation.

中红外波段（波长3-30微米）涵盖气体特征吸收、热体辐射以及大气透明窗口等特征，其在物质监测、医疗诊断、国家安全等领域具有重要应用前景，然而受限于传统中红外关键器件的缺失或者性能不足，中红外技术迄今为止未能在工业和民用中得到大规模应用。针对当前中红外调制技术的紧缺，本项目拟研制集成有氧化钒的可调谐中红外复合左右手传输线超材料波导，利用氧化钒相变特性来调节超材料左右手波导模吸收响应，从而实现对中红外波的有效调制。我们将微波段传输线电理论应用到中红外光学波段，设计并制备中红外复合左右手超材料波导，在实验上观测其左手和右手波导模吸收特性，并采用热控和电控的方式触发氧化钒从绝缘态到金属态的相变过程，揭示复合左右手波导模的动态调谐机理，为双频段中红外波的振幅和相位调制研制原理性器件。本项目提出的“金属-氧化钒-金属”复合左右手超材料波导是器件结构的创新，所研制器件有望为中红外波的调制提供新技术。

由于自然界缺乏对于中红外波具有理想调控性能的天然材料，中红外波的调制技术发展明显滞后，当前世界范围内的研究尚处于基础探索阶段。针对中红外波的调控和调制问题，本项目结合新颖超材料结构和可调薄膜材料，开展了可调谐中红外超材料的理论设计、样品制备、性能测试及机理分析等研究工作。结合数值仿真模型、微纳加工及光谱表征技术，项目研制了氧化钒复合左右手超材料波导、多层膜超表面、可调谐圆盘贴片和叉指天线等原理性器件，观测了超材料共振模式的调谐效应，基于传输线电路模型揭示了氧化钒相变前后相关电路参数的变化规律，阐明了超材料共振模式的调谐机理，在温控条件下分别实现了窄带和宽带的中红外吸收调制和交叉偏振转换等器件性能，实验测试的最高吸收调制深度达88%，在电控方式下实现了30%的反射率幅度调制，对应的偏置电压小于3V，展示了氧化钒超材料在红外调制技术上的发展潜力。项目研制的可调谐超材料器件具有可变化的红外吸收和辐射性质，在可重构光学器件、红外光场调控、伪装隐形等方面具有应用价值。