超宽带双曲特异材料能带调控及布洛赫振荡研究

Electromagnetic metamaterials have recently become the frontier and hot issue in photonics. They support many nontrivial phenomena which do not exist in traditional materials. Well-designed electromagnetic response of metamaterials, which stems from their artificial microstructures, provides us with more freedom in manipulating electromagnetic waves. Hyperbolic metamaterials with strong anisotropy have attracted intensive investigations, because they also support negative refraction, subwavelength imaging, enhanced spontaneous radiation, etc., and are easier to fabricate. Fishnet is a type of ultra-broadband hyperbolic metamaterials, which can work at arbitrary frequency regimes. In this project, we will investigate the band manipulation of fishnet structures, and chose the suitable spatial distribution of geometric parameters, to realize all-angle subwavelength imaging, and overcome the partial imaging of conventional hyperbolic metamaterials. We will focus on the deep subwavelength imaging and Bloch oscillation in fishnet hyperbolic metamaterials, introduce active materials such as graphene to dynamically control the band structure, and explore the application in high performance devices. Our findings have great potentials in telecommunication and detection, which deserves an in-depth investigation. The research scheme is proved feasible; and the project will be accomplished successfully with the grant.

电磁特异材料利用人工微结构来构建人们所需电磁参数，为人们调控电磁波提供了新的自由度，通过特定设计的电磁特异材料具有自然界材料不具有的新奇物理现象，是当前光电子学领域前沿研究方向之一。具有强各向异性的双曲特异材料结构简单，并且也存在负折射、超分辨成像、自发辐射增强等奇特效应，近年来，逐渐成为研究热点。渔网结构是可工作在任意波段的一种超宽带双曲特异材料，本课题拟研究渔网结构能带调控，通过合适设计局域参数分布，实现全角度超分辨成像，弥补双曲特异材料只能实现部分成像的缺点；研究渔网结构深度亚波长聚焦和布洛赫振荡现象，把相关研究推广到微波波段,拓展应用领域，在渔网结构中引入石墨烯等材料研究双曲特异材料的能带动态调控方法，构建可调控特异材料高性能器件。研究成果有望应用于通信、探测等领域，具有较高的科学研究价值和很好的应用前景。预先研究证明技术路线切实可行，如获得资助将可以圆满完成预期研究目标。

电磁特异材料利用人工微结构来构建人们所需电磁参数，为人们调控电磁波提供了新的自由度，是当前光电子学领域前沿研究方向之一。宽频带、动态可调是当前特异材料研究重点，平面层叠渔网结构制备简单，具有强各向异性，存在宽带超透射、负折射、吸收增强、超分辨成像、自发辐射增强等奇特效应，逐渐成为研究热点。本课题提出宽频带层叠渔网结构电磁调控研究，按计划开展研究，完成了预设的研究目标、所有研究内容，具体如下：1）针对多层渔网层叠结构开展了能带调控研究，完成了多层层叠金属微结构的本征模式展开方法，给出了渔网结构能带计算解析计算方法，并分析了在结构渐变情况下能带的调控机制。2）通过能带调控规律，设计了具有抛物线线性的局域参数分布渔网结构，可以实现全角度超分辨成像，弥补双曲特异材料只能实现部分成像的缺点；3）理论仿真和研究了渔网结构深度亚波长聚焦和布洛赫振荡现象，研究了宽频带电磁透明和相位调控研究，通过在渔网结构中引入可调控结构单元实现能带的调控。4）研制了基于石墨烯、开关二极管等主动可调控材料和元件的多层渔网样件，可用于高效率的极化、透过、吸收的动态调控。.在课题的资助下，项目负责人在Advanced Optical Materials、ACS Photonics、Frontiers in Physics、Optics Express、Optics Letters、Physical review A等杂志上发表论文18篇并进行了标注，共申请发明专利6项，3项发明专利获得授权。共培养博士5名，硕士4名，博士后出站1名。