介质超材料中光机械诱导非线性现象的理论与实验研究

Optomechanically induced nonlinearity through optical forces in nanophotonic structures provides a new route for the realization of optical nonlinearity at low intensities. Recently, the study of optical forces in metamaterials and the development of mechanically reconfigurable metamaterials pave the way for nonlinear optomechanical metamaterials. On the basis of our prior work, this project makes use of low-loss planar dielectric metamaterials and aims to: (1) Study the mechanism for generation and enhancement of resonant near-field optical forces in dielectric metamaterials and optimize the design of optomechanical metamaterials using three-dimensional electromagnetic numerical simulations; (2) Explore and improve the nanofabrication methods for optomechanical metamaterials; (3) And experimentally demonstrate optomechanically induced nonlinearity in optomechanical metamaterials, which will provide solid theoretical and experimental foundation to study the optical-mechanical interactions through optical forces in metamaterials as well as related physical phenomena such as optomechanically induced transparency in depth. This project will enhance our understanding of light-matter interactions in the nanoscale and is of great significance for the research of nonlinear/reconfigurable metamaterials and the development of nanophotonic functional devices such as self-adaptive optical devices and optomechanical memory devices.

纳米光子结构中基于光学力的光机械诱导非线性现象为弱光非线性的实现提供了一条新的途径。最近，超材料中光学力的研究和机械可重构超材料的发展为非线性光机械超材料的实现提供了可能。本课题在我们前期工作基础上，拟以低损耗的平面介质超材料为对象，旨在:（1）通过三维电磁仿真技术，研究介质超材料中近场共振光学力的产生与增强机制，优化光机械超材料的设计；（2）探索和完善光机械超材料纳米加工工艺；（3）从实验上证明光机械超材料中基于光学力的光机械诱导非线性现象。从而为深入研究超材料中基于光学力的光-机械相互作用机理和光机械诱导透明等物理现象打下坚实的理论和实验基础。本课题的开展有助于深化人们对纳米尺度下光与物质相互作用的理解，对于非线性/可重构超材料的研究，以及自适应光子器件、光机械记忆器件等纳米光子学功能器件的开发有着重要的意义。

光学力在纳米尺度的光与物质相互作用中发挥着重要左右，被广泛应用于光镊、腔光机械学以及对纳米光子结构的驱动。超材料对光有着无可比拟的操控能力。超材料中的光学力及光机械诱导非线性现象的研究具有重要的理论意义和潜在的应用前景。本项目围绕新型介质超材料、介质超材料中的光学力、超材料中的光机械诱导非线性现象等开展了一系列的研究工作，设计了多种新型的介质共振超材料并首次系统研究了平面介质超材料中的光学力。进一步的，通过与英国南安普顿大学合作，首次从实验上证实了表面等离激元超材料中的光机械诱导非线性现象。同时我们还在粒子散射、石墨烯表面等离激元以及石墨烯表面等离激元结构中的光学力等方面开展了研究，并首次提出了一种基于石墨烯表面等离激元的新型中远红外纳米光镊。在项目的支持下，我们培养博士生1名，硕士生5名，在Optics Letters、Optics Express、 Nanoscale、Scientific Reports、Advanced Materials、Laser & Photonics Reviews等国际期刊发表SCI论文20余篇，在《中国光学》、《光电产品与咨讯》等中文期刊发表特邀综述2篇，申请国家发明专利2项。在国内外会议做邀请报告4次，口头报告十余次，项目研究成果获“国际微纳光学工程会议”杰出海报奖，《中国光学》年度优秀论文奖，论文被包括Nature Nanotechnology在内的国际顶级期刊引用，获得国内外广泛关注和认可。