透明特异介质及各向异性特异介质表面对电磁波的调控研究

Electromagnetic (EM) metamaterial, a new type of composite and functional material consisting of subwavelength artificial microstructures (or meta-atoms) arranged in a specific order, shows great power to manipulate EM waves. Transparent metamaterial and metasurface have received much attention recently. The concept of transparent metamaterial is to make conventional opaque metals with high conductivity transparent, so as to develop new kinds of electronic devices (solar cell electrode, electronic paper, touch screens, and novel displays, etc). In principle, metasurface can arbitrarily manipulate all kinds of behaviors of EM waves through specially designed transmission or reflection phase distribution of meta-atoms. Metasurfaces possess many advantages, such as easy design and fabrication, ultrathin thickness, low loss, etc. According to the current research status of metamaterials and our past research experiences, we plan to study two kinds of EM wave control：(1) Transparent metamaterial, including infrared transparent metamaterial, terahertz transparent metamaterial, transparent metamaterials with broad bandwidth at different frequencies, and some potential practical applications of transparent metamaterial; (2) the arbitrary control of propagating mode and surface mode with different polarization by anisotropic metasurfaces. Theoretical analysis, numerical simulation, and experiment will be performed to demonstrate our ideas.

电磁特异介质是由亚波长“人工原子”按照特定排序组合而成的复合功能材料，其对电磁波具有强大的调控能力。最近，透明特异介质和特异介质表面受到广泛关注。透明特异介质的概念是让传统的具有高导电率的不透明金属变得透明，在将来可以发展新型电子器件（太阳能电池电极，电子书，触摸屏，和新型显示器等）。特异介质表面通过对“人工原子”透射或反射相位分布的特殊设计，原则上可以任意调控电磁波的各种行为。特异介质表面具有设计制备简单、厚度超薄、损耗小等优点。根据本领域研究现状并结合自身基础，申请人计划结合理论分析、数值模拟和实验测量开展以下研究：（1）透明特异介质，包括红外波段透明特异介质，太赫兹透明特异介质，不同波段透明特异介质的宽带实现，以及透明特异介质的一些潜在实际应用；（2）各向异性特异介质表面对电磁波极化传播模式和表面模式的任意调控。

电磁特异介质是由亚波长人工微结构按一定顺序排列而成的新型功能材料，具有强大的电磁波操纵能力。最近，透明特异介质和各向异性特异介质表面近年来受到广泛关注。首先，我们通过多层等离激元纳米结构实现了透明特异介质。当一个方向透明，另一个方向不透明时，基于各向异性阻抗原理，利用各向异性的透明特异介质可以实现近红外波段高效率、宽角度、极化敏感的极化束分离器。随后，我们利用两种不同结构实现了电磁诱导透明类似现象。计算结果表明电磁诱导透明的工作频率对电磁波极化和入射角的变化不敏感。结构设计简单，非常适合目前的平面微纳制备技术。第二，我们成功的设计出结构非常简单的金属-绝缘体-金属各向异性特异介质表面，实现了电磁波交叉极化的高效率、大角度、宽带倍频调控。目前所设计的微波样品实验测量结果和数值模拟结果吻合的很好。所设计的特异介质表面在微波仪器、波前操纵、极化器件等方面有着非常重要的应用。同时，我们也研究了天然具有各向异性介电常数的氮化硼的光学谱性质。另外，在可允许的范围内，我们适当的研究了基于二氧化钒、硅、锗锑碲超表面的可调吸收体。项目资助发表高质量论文16篇。