亚波长金属微结构中光学自旋-轨道角动量转化的微观物理模型及其应用

Investigating the novel optical properties of subwavelength metallic structures, realizing the optical field manipulation in the subwavelength scale and developing the corresponding photonics devices, can provide new opportunities for photonic information technology. This project aims to build the microscopic physical model, reveal the novel optical phenomena, realize the optical field manipulation with the help of the conversion from optical spin angular momentum to orbital angular momentum in subwavelength metallic structures. Based on the complex optical properties of subwavelength metallic unit, such as huge anisotropic, chirality,we want to build the microscopic physical model to illustrate the physical mechanism of the conversion, develop some efficient analytical methods and models, and investigate validity of the physical model with the help of accurate numerical methods,such as FDTD method, FEM method. We also want to find some novel optical phenomena originating from the conversion process in specific metallic structure. Based on the conversion in desired subwavelength metallic structures, we plan to develop the optical field spatial manipulation with the subwavlength resolution, including the amplitude,phase,polarization manipulation, and promote the related research and applications.

研究亚波长金属微结构材料新颖的光学性质,实现在亚波长尺度上对光的传输与调控,开发在亚波长尺度上的光子学器件,为开拓光子信息技术的潜力提供新的发展机遇。本项目拟开展在亚波长金属微结构材料中的光学自旋角动量到轨道角动量转化的微观物理模型建立、物理机制探讨及应用基础研究。以亚波长金属微结构材料设计为手段，充分利用亚波长金属微结构材料新奇的光学特性，如强的各向异性、旋光效应，建立有效的微观物理模型，深入发掘亚波长金属微结构材料中光学自旋角动量到轨道角动量转换的物理内涵，发展行之有效的物理模型和解析手段，辅以三维全矢量电磁场数值模拟作为验证，展示在亚波长尺度上物理内涵丰富的新颖的光学效应和现象，着力推动亚波长尺度上光场的多物理量（振幅、位相以及偏振）调控，达到对光场空间分布在亚波长尺度上的有效控制，推动相关基础研究和应用研究的发展。

亚波长金属微结构材料可呈现新颖的光学性质,能够实现在亚波长尺度上光场的调控,从而为光子信息技术提供新的发展机遇。本项目在执行期间主要研究内容集中在建立若干类典型的亚波长金属微结构材料光学响应特性的微观物理模型，系统探讨微观物理模型和宏观新颖光学现象的内在关联，寻找实现新奇光学现象的物理途径。在典型的金属微结构体系中，系统揭示了完美相干吸收现象的微观机制及其与标量奇异点相关联的拓扑特性，为实现有效的群延迟调控提供新的手段。从金属微结构微观物理模型出发，系统地研究了金属微结构体系作为典型的非厄米体系所呈现的新颖的宏观光学现象，如完美单向反射，完美偏振旋转，以及非对称透射，同时揭示了宏观光学现象和微观物理模型之间的内在联系。金属微结构体系微观物理模型的建立，为基于金属微结构的光场调控提供了深刻的物理内涵。. 在金属微结构体系微观物理模型的指导下，系统研究了金属微结构体系中各微观参数对光自旋角动量到轨道角动量转换的影响。在强各向异性的偶极共振金属微结构体系中，提出显著提高和连续动态调控光自旋角动量到轨道角动量转换效率的途径。在太赫兹波段，从理论和实验上同时验证了相干控制下所制备的金属微结构可同时实现几乎100%（实际96.8%）光自旋角动量到轨道角动量的转换效率和100%信号光的输出。通过改变相干输入光的位相，该体系光自旋角动量到轨道角动量的转换效率也可以实现连续调控。. 项目执行期间以项目号(11304226)共公开发表SCI论文 12 篇。发表的具有代表性的SCI 论文：材料类顶级期刊论文Advanced Materials 1 篇，物理学高水平专业期刊论文Physical Review A (PRA) 3 篇, Applied Physics Letters(APL) 1 篇, Optics Letters(OL) 1 篇, Optics Express(OE) 1篇。