手征特异材料电磁波偏振态调控特性研究

Chiral metamaterials, which have attracted considerable interests, could be utilized to realize various exotic features, including negative refraction and polarization manipulation. In preliminary studies, we directly demonstrated negative refraction, polarization gap, and invented a broadband wave plate with metallic helix array. In this project, investigations on manipulating polarization and propagation of electromagnetic waves will be implemented in two systems, complex lattice metallic helix array and discrete chiral metamaterials. Exotic features, including longitudinal electromagnetic mode, asymmetric propagation within polarization gap, will be experimentally demonstrated. Based on these findings, multiple scattering theory for system with helical symmetry will be developed to investigate the coulping between local modes and polarization manipulation in metallic helix array and twisted planar chiral metametamaterials. The new features of the electromagnetic wave polarization manipulation in chiral metamaterials will be deep explored.

手征特异材料可以实现手性负折射、极化调制等新效应，受到了广泛的关注。我们在前期研究中直接实验观测了金属螺旋阵列中的手征负折射、宽极化禁带等新效应，研制了宽带波片。本课题将围绕金属螺旋复式格子阵列和离散性手征特异材料两种体系开展电磁波偏振和输运调控方面的研究工作，还将尝试实验验证金属螺旋阵列中纵电磁波模式、非对称传输等新奇现象。通过课题研究，进一步发展适用于螺旋对称性特异材料的理论方法，以表征金属螺旋线阵列和离散螺旋对称的平面手征特异材料中的局域模式的互耦以及对电磁波输运和偏振的调控，深入发掘手征特异材料的电磁波偏振调控新功能。

手征特异材料结合了手征体系固有的电磁互耦特性和特异材料突破电磁波在振幅、位相、偏振、传播等基本属性调控极限的能力，在电磁波操纵方面具有丰富的自由度，是近年来的研究前沿热点。本项目主要在1）发展和完善螺旋对称系统的多重散射法；2）手征特异材料平板散射行为研究；3）非对称传输和复式阵列偏振调控现象研究；4）纵电磁波模式表征；5）平面超材料偏振调控研究五个方面进行了系列理论和实验研究。.项目发展了手征特异材料的多重散射能带理论，成功求解了同种/异种手性螺旋线构成的复式阵列能带，理论解释了其中模式简并、轴向禁带等现象，为分析手征特异材料内在机理和偏振调控器件设计提供了理论基础。通过轴向透射实验，激发有限厚度手征特异材料平板内纵电磁波模式的法布里帕洛谐振对其进行表征，证明了体材料中纵电磁波模式的存在。同时对非整数周期金属螺旋线阵列的非对称传输效应也进行了实验验证，证实了其物理机理是有限长度螺旋线起始端对圆对称性的破坏，为更高对比度非对称传输和理想圆极化器设计提供了指导。在手征特异材料界面效应方面，发现了手征特异材料平板界面上的光拓扑效应，可以令于结构手性相同或相反的圆偏振电磁波呈现正常反射和负反射效应，并且还观测到了负反射模式的古斯汉欣位移效应。对于由等量异手性螺旋线构成的消旋复式阵列，发现了其反射波中正交分量间位相差和结构引入的几何位相之间的关联，可用含规范势的哈密顿光学类比。该现象可以用于设计实现仅有几个螺距厚度的宽带反射式偏振调控器件。平面超材料设计方面，研究了体系内局域电磁模式和色散关系的调控机理，并在此基础上设计了具有分束功能的偏振调控器件，可将斜入射的圆偏振电磁波分解为相互正交的两个线偏振模式，分别沿正常反射和负反射方向传播。.经过本项目3年的研究，在手征特异材料能带理论、纵电磁波和非对称传输表征、手征体系界面拓扑效应方面具有新的发现，还设计了基于金属螺旋和平面结构的特异材料偏振调控器件。为更好的理解手征特异材料体系内在机理和设计偏振调控器件提供了基础。