微波/太赫兹电磁特异介质的实验研究

Metamaterials, artificial materials composed by subwavelength micro-structure, can exhibit extraordinary optical properties which cannot be found in nature material. The conventional theory of electromagnetic (EM) waves has been significantly extended through studying EM metamaterials, and lots of potential applications are proposed. Manipulation of EM wave's propagation properties have become one of the hot research topics. Applicant plan to study the manipulation capability of metamaterials, especially at microwave and Terahertz region, mainly based on experimental research integrating with theoretical analysis and numerical simulation. To reach this goal, we plan to conduct the following three parts of research: 1).Designs and realizations of traditional metamaterials to manipulate EM wave's propagation properties(such as polarization, direction of propagation), especially for Terahertz wave;2).Manipulation of EM wave with Gradient index meta-materials;3). Hyperlensing effect at microwave and terahertz region realized with fractal-shape metamaterials.

电磁特异介质（Metamaterials）是利用亚波长微结构单元构造的人工合成材料，它能实现自然界常规材料所不具备的奇异光学性质。对电磁特异介质的研究极大的拓宽了电磁波的传统理论，并且伴随着理论的发展，发现了一大批新奇的物理现象和实际应用。利用电磁特异介质来调控电磁波的传输特性成为的一大研究热点。申请人拟以实验研究为主，结合理论分析和数值模拟，研究电磁特异介质对微波和太赫兹波段电磁波传播特性的调控能力及潜在应用。为此我们将开展如下研究：1）根据理论设计和制备出真实的常规电磁体特异介质体系，实现对电磁（光）波诸多传输特性（如偏振、传播方向等）的更有效调控，特别是对太赫兹波的调控；2）利用具有梯度变化性质的电磁特异介质实现对电磁波传输特性的调控。3）利用分型结构等离特异介质具有的表面等离子体的局域增强效应实现微波乃至太赫兹波段的超透镜效应。

本项目针对微波和太赫兹电磁特异介质对电磁波的调控展开相关的实验研究，取得了以下几个方面的研究成果：1）利用具有梯度性质电磁特异介质超表面实验实现了对电磁波传播的有效调控，包括接近100%效率的光子体系自旋霍尔效应，高效透射式表面等离激元耦合器，和超薄平面会聚反射镜光波段等高性能功能器件；2）将石墨烯与电磁超表面相结合，实验实现了对太赫兹波反射波和振幅的相位大幅动态调控；3）利用耦合模理论系统地研究了不同特异介质体系对电磁波的调控机理，并进行了实验验证，如建立了反射式超表面系统相位和振幅的完备相图；发展了一套微波近场测试手段验证光子耦合体系的等效理论模型；建立并实验验证了一套普适的，针对多层膜结构特异介质的有效媒质理论；4）系统地研究了等离激元特异介质体系对电磁波的有效调控，并利用该体系设计和实现了如亚波长成像，表面波特性调控等等；5）通过与国内外合作者的拓展研究，我们完成了不同体系特异介质对太赫兹波调控的实验研究，如高效太赫兹吸波器，超宽带低反射太赫兹超表面，超薄太赫兹半波片等。在本项目支持下，共发表SCI 学术论文16篇,总影响因子超过70，其中包括Physcial Review X 1篇，Physcial Review Letters 1篇，Light: Science & Applications 2篇，Advanced Optical Materials 2篇，Physical Review B 1篇，Opt. Lett. 2篇，Opt. Express 2篇，Appl. Phys. Lett. 1 篇。本项目研究成果受到国际同行的热点关注，项目负责人三年间11次应邀在国际学术会议上做邀请报告，相关论文google引用次数超过100次。