具有非色散透射与极化旋转特性的环偶极子超材料研究

Manipulating the polarization states of electromagnetic waves via metamaterials with giant polarization rotation power is increasingly becoming one of the hot spots of scientific research. However, how to design metamaterials with high-performance, broadband, and nondispersive transmission and polarization rotation is still an issue for researchers. On the basis of our previous investigations on the polarization rotation of chiral metamaterials, the present project is aim to propose new design models of toroidal dipolar metamaterials which possess giant polarization rotation power. We will systematically study the influences of geometric structures, dimensions, arrangement patterns of the unit cells on the electromagnetic properties of the toroidal dipolar metamaterials such as resonant frequency, transmission spectra, polarization rotation power, and so on. By calculating the energy scattering of the multipoles, we will investigate the response types of toroidal dipolar metamaterials under different resonant frequencies and the interaction among different kinds of dipoles and multipoles, and then analyze the physical mechanism of polarization rotation of the toroidal dipolar metamaterials and explore the methods to suppress the loss and dispersive effect. Finally, we will fabricate toroidal dipolar metamaterials that can simultaneously achieve nondispersive transmission and polarization rotation with high efficiency in a broad bandwidth. This project is helpful to develop novel polarization controllers, which will be promising for potential applications in realms including telecommunications, photoelectric devices, sensors, etc.

利用超材料的强极化旋转效应来操控电磁波的极化状态日益成为科学研究的热点之一。然而，如何设计具有高效、宽带以及非色散的透射和极化旋转性能的超材料仍是研究者面临的一个难题。本项目拟在前期对手性超材料极化旋转性能研究的基础上，提出具有强极化旋转能力的新型环偶极子超材料设计模型，系统地研究结构单元的几何构型、结构参数、排列方式等因素对环偶极子超材料的谐振频率、透射谱以及极化旋转能力等电磁性能的影响，并通过计算环偶极子的多极矩能量散射，研究环偶极子超材料在不同谐振频率处的电磁响应类型以及不同种类的偶极子与多极子之间的相互作用，揭示其产生极化旋转效应的物理机制，探索抑制损耗和色散效应的方法，最终制备出能够在宽频带范围内同时实现高效的非色散透射和极化旋转性能的环偶极子超材料。本项目的研究有助于开发新型的极化控制器，在通信、光电器件、传感器等领域具有广阔的应用前景。

超材料能够实现很多奇异的电磁性能，在调控电磁波方面具有独特优势。利用超材料来调控电磁波的极化状态已经成为科学研究的前沿与热点之一。本项目主要是利用超材料来实现非色散的透射与极化旋转换效应。我们根据环偶极子超材料的设计理念，设计了能够实现环偶极子响应的超材料，并研究了其电磁特性；根据多极展开理论，计算了样品的多极矩辐射功率，分析了其物理机制，并进一步探寻如何利用环偶极子超材料实现非色散旋光效应。研究发现，由于谐振响应的存在，环偶极子超材料很难实现非色散旋光效应。因此，我们探索采用手性超材料或各向异性超材料来代替环偶极子超材料实现非色散透射和旋光效应。. 根据手性超材料的设计理论，设计了一种由金属双螺旋结构组成的新型非谐振手性超材料模型。系统地研究了结构参数、基板介电常数、入射角度、样品层数等对其旋光、透射、等效折射率等电磁特性的影响，并通过等效电路模型、场监控、多极展开理论对其物理机制进行了分析。结果证实，这种手性超材料能够产生类Drude响应，可在超宽带范围内实现恒定的45º旋光，且旋光角度只与结构本身的几何参数有关，与频率无关，因此其可以实现非色散旋光效应。我们进一步的研究表明，这种手性超材料可以对圆极化波实现负折射，且具有非常小的损耗，在中心工作频率处透射率接近1，品质因数FOM达到了91，比传统手性超材料约高一个量级。另外，利用超材料和光栅结构各自的优点，将金属超原子与介质光栅相结合，提出了新颖的各向异性超光栅物理设计模型。系统地研究了几何参数、入射角度等对超光栅的透射谱、反射谱、相位等电磁参数的影响。设计出多种超光栅结构，实现了宽带的非色散交叉极化转换（相对带宽超过20%）及多重极化转换功能集成等性能，并且相应的极化转换效率均超过了95%，可作为高性能的电磁波极化控制器。. 本项目的研究结果为设计新型的高效非色散极化控制器件提供了新思路，在光学器件、微波装置、天线、探测等领域中具有重要的应用前景。