基于手性相互作用的光学超颖表面

Metasurfaces are a class of artificial electromagnetic surfaces with extraordinary physical properties produced by special structural designs, which have formed a frontier research field in nanophotonics nowadays. Based on the research progress of our previous work, this project plans to perform an in-depth and systematic study on the near-field and far-field modulation properties and functional applications of a type of optical metasurfaces that are based on the chiral interaction between optical field and the nanostructured surfaces. The main research topics and the key scientific issues to be dealt with in this project are as follows. We study the principle and methods of modulating the phase and amplitude of optical field independently or simultaneously by using the metasurfaces, by which to realize the complete modulation of the complex amplitude of optical field. We study the multiplexing techniques of the metasurfaces, including the multiplexing of wavelength, polarization, space, and the vectorial optical beams such as vortex beams with different optical angular momentums. By studying light emission devices based on metasurfaces, fractal and multiscale chiral metasurfaces, and the real-time modulation of metasurface pixels, we aim to better understand the interaction between metasurfaces and the vectorial optical field, by which to develop more intelligent and active functional devices. By exploring some schemes such as the enhancement of polarization conversion by resonances, the design of impedance-matching structures, and the compensation of energy loss by using gain media, we aim to find out effective methods to improve the energy utilization efficiency in metasurfaces. Furthermore, we study the near-field properties of metasurfaces, by which to develop new functional applications such as the devices for characterizing vortex beams with specific topological charges.

超颖表面是一类通过特殊结构设计而具有超常物理特性的人造电磁表面，是当前纳米光学领域的一个前沿研究热点。本项目在课题组前期研究成果的基础上，对一类基于手性相互作用的光学超颖表面的近远场调控特性及其功能应用开展深入系统的研究。主要研究内容和拟解决的关键科学问题包括：研究超颖表面对光场相位和振幅的单独和同时调控方法，使之具备对光场复振幅的全面调控能力；研究超颖表面的复用机制，实现波长、偏振、空间等复用，及不同轨道角动量的涡旋光束和其它矢量光束的复用；通过研究超颖表面发光器件、分形或多尺度手性超颖表面、超颖表面像素的实时调控方法等，深入理解超颖表面与矢量光场的相互作用机理，发展智能化、可主动调控的功能器件；从共振增强偏振转换效率、阻抗匹配设计、使用有源增益介质补偿损耗等方案入手，探索提高超颖表面能量利用率的有效方法；研究超颖表面的近场调控特性并发展新应用，如用于检测具有特定拓扑电荷数的涡旋光束等。

超颖表面是一类通过特殊结构设计而具有超常物理特性的人造电磁表面，是当前纳米光学领域的一个前沿研究热点。本课题研究基于手性相互作用的光学超颖表面的近远场调控特性及其功能应用，经过四年的努力探索，不仅圆满完成了原定的研究计划，达到了预期的研究目标，还通过对几个关键科学问题深化研究、扩展应用，超额完成了研究任务。主要研究成果归纳为以下七个方面：研究了超颖表面对光场复振幅（振幅和相位）的调控，包括对自由空间光波和SPP表面波的复振幅调控；研究实现了基于手性相互作用的超颖表面实现多参量宽带全息复用；提出了若干具有优异性能的超颖表面及其功能应用，包括具有高电磁屏蔽效率的中红外光学超颖表面，超快高方向性自发辐射超颖表面，以及基于多尺度结构的超宽带、减反射、自清洁超颖表面；探索提出了几种提高超颖表面能量利用率的原理和方法，包括多尺度级联场增强超颖表面的构筑，以及全介质超颖表面；探索了可主动调控的超颖表面，包括基于活性材料的可调控超颖表面，以及用于太赫兹波段的石墨烯超颖表面；研究了用于生成涡旋光束的超颖表面，并建立了对其光子自旋-轨道相互作用进行近场表征的方法；研究提出了高性能超颖表面的制备及表征方法，包括基于激光直写技术形成宽带高性能超颖表面，以及用于快速测量金属纳米天线尺寸的光学表征方法。本项目取得了丰硕的科研成果，发表SCI论文16篇（包括影响因子10以上的高水平论文4篇），EI会议论文3篇，获授权发明专利3项；培养博士后1人，博士生5人，硕士生3人，多人获得重要学术荣誉。