电磁特异材料相位光学及波束调控的研究

Metamaterials, a kind of artificial structures with extraordinary electromagnetic responses not available from materials existing in nature, have attracted intensive investigation, especially on their capacity of phase manipulation and beam shaping. In this project, full control of light, including phase, amplitude, and polarization, will be implemented theoretically and experimentally with metamaterials, which makes the efficient beam steering and beam shaping viable. Multilayered structures are proposed to change the phase of outgoing waves over a wide range while maintain high transmittivity, which is expected to improve the efficiency of beam steering. Flexible and independent control of amplitude and phase at each grid makes it possible to generate vortex beam directly from plane wave excitation. Prior studies prove the route feasible to realize broadband transmission, phase manipulation, and polarization control. FDTD simulations of twisted CSRRs imply the manipulation of OAM with the structure. This project is well supported by the feasible scheme and abundant reserve in theory and experiment condition, and will be accomplished successfully with the grant.

电磁特异材料具有很多新奇的物理现象和广阔的应用前景，是当前光电子学领域前沿研究方向之一，有关其对于光波相位、波束控制的研究是热点课题。本课题拟从理论和实验两方面研究平面电磁特异材料对于相位、振幅和极化的控制，以实现高效的波束偏转和波束整形。提出利用多层超透射结构宽范围调控出射波相位，用于波束偏转预期能大大增加其效率。提出利用对振幅和相位的独立操控，实现平面波到涡旋波束的直接转换。预先研究证明实现宽带超透射、宽带相位调控、宽带极化控制方法可行，时域有限差分仿真证明手性排列的旋转劈裂圆环结构可以实现对轨道角动量的调控，初步证明所构思技术路线可行，基础研究方面理论和实验储备充分，可以支撑项目的开展。如果获得资助将可以圆满完成本申请课题。

电磁波是矢量波，偏振、相位、振幅是描述电磁场属性的关键参量，极化转换、时延、波束整形是人们操控电磁波的重要手段特异材料利用人工微结构构造电谐振或者磁谐振来调控电磁波，这些谐振单元一般远小于波长，使得电磁波能在亚波长尺度上得到调控。这些亚波长金属结构又被称为人工电磁原子（分子），利用这些人工电磁原子（分子），人们还可以组装出许多自然界不存在的材料来操控电磁波，实现诸多新奇物理现象和高性能器件，例如负折射、超分辨成像、隐身衣、超透射、高性能天线、极化操控和波束操控等等，开展特异材料电磁波基本属性调控研究具有重要的科学和应用价值。本课题开展了电磁特异材料对于电磁波相位、振幅和极化的控制，通过对电磁波的相位调控和空间色散实现高效的波束偏转和波束整形。发展了基于平面多层金属结构的本征模展开解析算法，结合数值仿真和实验测量，研究了镂有同轴圆环孔的多层金属-介质层叠结构的透射，相位调控，波束调控以及极化调控行为；研究了层叠渔网结构层间弱耦合导致的负折射和布洛赫震荡行为；研究了磁谐振高阶同相位反射频点空间相关性特性，并利用该高相干态实现了低阈值激光；研究了平面特异材料环磁动量模式特性；研究了基于石墨烯的电磁波振幅、吸收、反射调控方法。共发表SCI论文13篇，SCI总引用次数133次，第一作者文章单篇引用最高40次。申请国家发明专利5项。