基于表面等离子体纳米结构的三维负折射人工电磁结构材料及其应用基础研究

Negative index metamaterials are artificial materials in which the electromagnetic structures are engineered on subwavelength scales to elicit negative refraction responses that cannot be found in nature. Although negative index metamaterials show strong application prospects in the design of novel optical elements, currently they still have several disadvantages, such as their highly anisotropic negative refractive indices and complicated internal electromagnetic structures. In this project, we will theoretically and experimentally investigate the propagation properties of surface plasmons inside the metal-dielectric multilayer structures. We will use the coupling effect of surface plasmons to realize optical negative refraction effect at both visible and ultraviolet frequencies so that we can use these multilayer structures to create large-area, three-dimensional negative index metamaterials. Moreover, based on these three-dimensional negative index metamaterials, we will further explorer their fundamental applications, such as to create a negative refraction flat lens and investigate some anomalous optical effects associated with negative index of refraction. This research project not only can help us deeply understand the light-matter interactions at nanometer scales, but also can further expand the potential applications of negative index metamaterials at optical frequencies.

负折射人工电磁结构材料是指通过在材料亚波长尺度上电磁结构的有序设计，从而获得超出自然界固有电磁性质的负折射率的一种人工材料。虽然负折射人工电磁结构材料在新型光学器件等方面有着广阔的应用前景，但是其当前研究也存在着诸多限制因素，例如高度各向异性的电磁性质以及过于复杂的内部结构。本项目拟从理论和实验两方面出发，系统研究表面等离子体在多层金属-介质结构中的传播特性，利用其耦合效应来实现可见光及紫外光波段的光学负折射效应，从而用于构筑一种结构简单，性能优异的大面积三维准各向同性负折射人工电磁结构材料。此外，本项目还将进一步展开基于此种三维负折射人工电磁结构材料的各种应用基础研究，包括利用其电磁特性设计平板透镜以及研究和负折射率有关的反常光学效应等。通过本项目的研究，可以深入了解光与物质在纳米尺度下的相互作用，并且可以进一步开拓负折射人工电磁结构材料在光波段的各种潜在应用。

人工电磁结构材料是一种由微纳结构组成的人工复合材料，它不仅具有天然材料所不具备的超常电磁性质，而且其特性还可以根据人为调节，因而其在包括电子、通讯、传感等领域具有十分重要的实际应用价值。本项目从理论和实验两方面系统开展了针对多种表面等离激元微纳结构以及全介质微纳结构的奇异光学现象机理与应用的研究。我们深入研究了表面等离激元在亚波长微纳结构中的传播规律和特性，并研究开展了多种微纳结构中相应的空间光场和光谱的调控机理研究，通过利用微纳结构在纳米尺度上对电磁场的有效调控设计和研发了多种新型的光学功能器件。代表性成果包括：（1）利用自支撑的金属介质多层膜渔网结构首次在绿光波段实现了具有高光学透过率、低传输损耗的光学负折射材料，进一步满足了负折射材料的实际应用需求；（2）利用表面等离激元金属纳米线阵列拓扑形态发生改变的零界点实现了拥有极窄角度透明窗口的空间光束准直器，同时利用这种金属纳米线阵列结构可以很大程度抑制光束的发散效应，从而保证光束在长距离传输时光斑的一致性；（3）利用表面等离激元微纳结构研发了多种窄带、宽带以及高效率的光学吸收器，如可见光频段的窄带双波长层叠阵列结构、大面积纳米锥形宽带吸收结构、金属纳米粒子/纳米纤维超柔性的光学吸收薄膜；（4）利用表面等离激元微纳结构研发了多种高灵敏度和集成度的生化传感器；（5）利用全介质平面人工微纳结构对入射光场的偏振态以及波前控制在光频段和红外波段实现了多种复杂空间光场分布以及相应的光学功能器件。在该项目的资助下，我们已在知名学术期刊Advanced Materials、Nano Letters、Laser Photonics Review、Advanced Optical Materials、Optics Letters 等上共发表SCI 期刊论文21篇，申请国家发明专利5项。本项目通过对多种光学微纳器件的设计、研制和测试，的研究系统地建立了表面等离激元在人工微纳结构中的传播规律的研究体系，通过多种光学微纳器件设计、研制和测试，实现了加深了对表面等离子激元微纳光学器件模型构建、器件制造实现及功能应用方面的深入探索，对于推动微纳光学器件的研制及开发具有重要的科学意义和应用价值。