平面手性超材料电磁偏振特性调控及其功能器件研究

Planar Chiral Metamaterials (PCMMs) as one of the most active member in Metamaterials (MMs) community, can not only achieve negative refraction, but also obtain giant optical rotation and circular dichroism, etc. Therefore, they can be used in the preparation of a series of photoelectric devices, such as circular polarizers and polarization converters, which have made them become a cutting-edge research area in recent years. The present study mainly focused on the bi-layer structured PCMMs for negative refraction and circular dichroism, while the systematical study for the polarization manipulation and its mechanism need to be further settled down. Our previous researches have shown that multi-layers structured PCMMs can enhance the conversion efficiency and broaden frequency band for both of the circular and linear polarization conversion. However, some other critical parameters such as the operation bandwidth and efficiency need to be further optimized. Therefore, this project intends to develop a deeper research on the PCMMs. Firstly, we will complete the PCMMs’ microstructure modeling and numerical simulation, and then explore new structures to solve new problems existed in the multi-layered and complementary structures, reflection mode polarization manipulation characteristics. Secondly, we will explore construct the theory model for describing electromagnetic (EM) polarization manipulations. Finally, we will experimentally complete the measurements and analyses for the PCMMs based polarization rotation and converter samples preparation. The implementation of project will have a certain impact on promoting in-depth research of PCMMs and its practical application in some areas.

平面手性超材料（Plane Chiral Metamaterials, PCMMs）作为超材料的一种，不仅可实现负折射，还可实现旋光性以及圆二向色性等，能够用于制备圆偏振器以及偏振转换器等光电器件，近年来逐渐成为国际上的一个研究热点。目前研究主要集中在双层结构PCMMs的负折射和圆二向色性上，偏振特性调控及其机理还没有被深入系统地研究。我们前期研究表明：多层结构PCMMs可实现圆偏振转换和线偏振转换效率的提高和频带的展宽，但工作效率和带宽有待进于一步优化。因此，本项目拟对PCMMs开展更深层次的研究。首先，完善PCMMs微结构建模与数值模拟，并对多层结构、互补结构、反射模式偏振特性等新结构、新问题展开研究。其次，探索建立描述其电磁偏振特性调控的理论模型。最后，实验上完成PCMMs偏振旋转以及偏振转换器样片的制备与测试分析。本项目对促进PCMMs的深入研究及其在相关领域实际应用产生一定影响。

本项目进行平面手性超材料（Plane Chiral Metamaterials, PCMMs）电磁偏振特性调控及其功能器件研究。我们在不同波段（微波，太赫兹波，光波）设计了大量PCMMs单元结构模型，在不同的电磁波段进行了数值模拟仿真，在微波段进行了实验验证，并对多层结构、互补结构、反射波特性等新结构、新问题展开数值模拟研究。建立基于PCMMs有效媒质理论的电磁参数法反演算法，分析其电磁参数特点。采用FDTD算法数值计算典型PCMMs单元结构中感应的电、磁场以及表面电流分布特点，分析微观耦合机制与宏观电磁偏振特性两者间联系。研究PCMMs微结构中不同基材与结构几何参数对电磁偏振调控性能以及其它特性的影响。探索建立描述 PCMMs 电磁偏振特性调控理论模型的途径和方法，有一定的突破。建立了基于Fabry-Perot谐振腔多重界面反射/透射模型，并对所设计的PCMMs结构模型进行了理论分析。基于优化的数值模拟结果制备了基于PCMMs的窄频带90°线偏振旋转器和宽频带线偏振转换器，实验上完成了PCMMs偏振旋转/转换器原理性样片的制备与测试分析。例如，设计的三层复合结构PCMMs在4.36-14.91GHz范围内具有±90°线偏振旋转/转换功能，且偏振旋转效率接近100%，转换效率超过90%的相对带宽达到109.9%，实验与仿真吻合得比较好。设计的基于双层四重费马螺旋线结构超薄的PCMMs分别在4.21GHz，7.62 GHz和10.96 GHz能将入射的线偏振波旋转90°，具有线偏振无关特性，同时该PCMMs还具有较高的品质因素，在谐振频点附近，Q值分别达到23.3，14.1和54.4。在太赫兹波段，设计的基于四重过孔T型谐振器结构PCMMs对不同旋向的圆偏振波具有超强的选择吸收特性，分别在1.91 THz和2.91 THz对入射的LCP波和RCP波吸收率超过90%。设计的二重旋转不对称开缝环结构PCMMs具有多功能偏振转换特性，能同时实现线-线偏振转换和线-圆偏振转换。本项目的研究将大大拓展了超材料的基础研究与应用领域，在射频天线相关的各种辐射器件、光学器件（电磁波分束/隔离器、波片等）、抗电磁干扰、以及雷达隐身技术等具有广泛的应用前景。