超材料中基于近场耦合的可控光学性质研究

During the recent years, research on metamaterials has become the hot topics in physics and materials science. Metamaterials own the advantages of integration with nanoplasmonic circuits and exhibit the manipulation properties of the light in the room temperature, such as electromagnetically-induced transparency (EIT), extraordinary optical transmission (EOT), electromagnetically- induced absorption (EIA), perfect absorption (PA), and so on. In this project, we will investigate the controllable EIT, EOT, EIA and PA, theoretically, at optical frequency based on the near-field coupling between the elements. Firstly, we will design the specical periodic structure and realize the controllable properties of optics by changing the incident angle and the polarization of the incident plane wave. Then we will study on the highly-dispersive EIT、enhanced EOT、highly-dispersive EIA and ultranarrow-band PA based on the high-order plansmon resonance and Fabry-Perot cavity resonance. By research on the project, we will design the best structure of the optical materials for applications to the slow-light devices, optical switching, optical sensors, and so on.

近几年，超材料的研究已经成为物理学和材料学的热门课题。超材料不仅能够集成纳米等离子电路，而且具有常温下操纵光的性质，如电磁诱导透明、特殊光传输、电磁诱导吸收和完美吸收等。在本项目中，我们将基于组件之间的近场耦合，从理论上研究光学频段内具有可控电磁诱导透明、特殊光传输、电磁诱导吸收和完美吸收特性的材料。首先通过设计特殊的周期结构，利用改变入射光偏振和入射角来实现可控的光学性质。其次我们将基于高阶等离子共振和法布里-珀罗腔共振耦合来研究高色散的电磁诱导透明、增强的特殊光传输、高色散电磁诱导吸收和超窄带完美吸收。通过本项目的研究将为超材料在慢光器件、光开关、光传感器等方面的应用设计出最佳的光学材料结构。

项目的背景：.超材料是一种人工纳米/微米复合材料，其单元结构小于入射电磁波的波长。由于超材料的性质主要决定于材料本身在关键物理尺度上的有序设计，因而具有某些超常规的特性，例如，电磁诱导透明、完美吸收、单向无反射等。.主要研究内容：.1. 利用两个共振器之间的法布里-珀罗腔共振耦合研究可控制的高色散且不依赖于偏振的电磁诱导透明。.2. 利用高色散的电磁诱导透明效应、多个共振器之间的近场耦合研究多频带完美吸收。.3. 利用高阶等离子共振基于近场耦合研究窄带的完美吸收。.4. 利用两个共振器之间的相位耦合，通过调节入射光的入射角、偏振研究可控制的单向无反射和完美吸收。.5. 利用两个非对称共振器的近场耦合研究高色散的单向无反射和完美吸收。.6. 等离子波导系统中，利用柱状共振器之间的近场和远场相位耦合研究高色散的单频和双频带单向无反射和完美吸收。.7. 利用低损耗的硅材料研究高色散可控制的单向无反射和完美吸收。.重要结果和关键数据：.1. 实现了不依赖于偏振的高色散电磁诱导透明。.2. 利用较小阻尼系数的高阶等离子共振实现了高色散的完美吸收，而且吸收峰的半波宽达到了15nm。.3. 利用入射光的偏振实现了偏振可控制的单向无反射，而且入射光偏振在 范围里可以实现高色散单向无反射和完美吸收。调节入射光的入射角实现了可控制的单向无反射，而且入射光入射角 范围里可以实现高色散单向无反射和完美吸收，而且高色散完美吸收的品质因子达到了40. .4. 等离子波导系统中，实现了单带和双带的高色散单向无反射和完美吸收，而且完美吸收的品质因子达到了68。.5. 利用硅材料共振器实现了偏振可控制的单向无反射和完美吸收，而且完美吸收的品质因子达到了83。.与先前的方案相比，基于高阶等离子共振和远场法布里-珀罗腔共振耦合得到了高色散的电磁诱导透明、单向无反射和完美吸收。这些应用对于研制折射率传感器、光滤波器和光开关等有着重要的意义。