损耗型介电常数近零特异材料及其复合结构光传输特性研究

The epsilon-near-zero (ENZ) metamaterials have attract the intense interest of researchers recently due to the abilities of peculiar manipulation and control of light, for example, tailoring the radiation patterns, funnelling light, omnidirectional bending of light, enhanced transmission and light collimation. Different with the perturbation effect of loss in normal medium, the imaginary part of permittivity in ENZ metamaterials could change the impedance and phase of light dramatically. More importantly, when lossy ENZ metamaterials are combined with the dielectric or the noble metals, related composite stratified structures can exhibit unique propagation properties of light, which will promote the research region of metamaterials and plasmonics. In this program, we will theoretically and experimentally explore the unique propagation properties of light in stratified structures involving lossy ENZ metamaterials. The main works and challenges can be summarized as follows: Firstly, we will exploit novel propagation properties of light in the lossy ENZ metamaterials and related periodic stratified structures. Secondly, we will investigate the control of electromagnetic fields in cavity structures containing lossy ENZ metamaterials. Thirdly, in combination with the metal components, the artificial strucutures containing lossy ENZ metamaterials can be used for controlling the dispersion of surface plasmon polaritons. The above-mentioned work not only can improve people's understanding of ENZ metamaterials and related composite structures, but also provide significant guidance for the application of ENZ metamaterials and novel metadevices.

介电常数近零(Epsilon-Near-Zero,ENZ)特异材料是一种新颖的人工电磁材料。不同于通常材料中损耗所起的微扰作用，ENZ特异材料的介电常数虚部可以与实部相比拟甚至远大于实部，在引起损耗的同时，还会引起波阻抗和相位的明显改变，从而诱导产生独特的光传输行为。本项目拟采用理论与实验相结合的方法，探索损耗型ENZ特异材料及其一维复合结构的光传输特性。具体研究内容为：损耗型ENZ特异材料层状微腔结构的光传输特性；损耗型ENZ特异材料层状周期结构的光传输特性；以及损耗型ENZ特异材料-金属层状结构中的表面等离激元色散性质。通过研究拟解决以下关键问题：ENZ特异材料及其与正常材料组成的复合结构中损耗对电磁场的调控机制；ENZ特异材料-金属层状结构中损耗对表面等离激元的色散调控机制。本项目预期成果有助于人们对该领域物理的理解，并对ENZ特异材料在实际环境中的应用和相关器件的研制具有指导意义。

本项目的目标是对基于损耗型介电常数近零(Epsilon-Near-Zero,ENZ)特异材料及其复合结构光传输特性展开研究。研究内容包括损耗型ENZ特异材料层状微腔结构的光传输特性研究、损耗型ENZ特异材料层状周期结构的光传输特性研究以及损耗型ENZ特异材料-金属层状结构中的表面等离激元色散性质研究这三个方面。. 针对第一、第二部分研究内容，我们主要围绕特异-正常材料复合结构中的微腔电磁共振现象，特别对高度色散特异材料微腔、二维复合材料导模共振结构等进行了较为深入的研究。一方面获得了这类含高度色散特异材料的微腔中共振分裂发生的基本原理和条件，着重讨论了在色散奇异点，也就是在正常/反常色散转变光谱区共振分裂发生的条件。另一方面也对此时电磁场的调控机理，即对其中辐射或非辐射模式进行控制的方法进行了详细的讨论。. 进一步研究需要解决的难点是实际的光频段ENZ特异材料以及相关共振系统的构建。目前，我们已经在这方面取得了一定的进展，特别是已经构建了多种材料复合的硅基光子系统，并在红外波段通过发射率系统进行测试，获得了与理论计算相符的结果。进一步的工作方向一是将现有的系统优化、结构简化，二是将系统的工作频率从关注的可见-近红外波段（限于我们的实验条件）转移到10-25μm的中红外区域，从而实现基于ENZ特异材料共振系统的演示性实验。