光学超透明介质的设计与应用研究

Transparent media are the foundation of almost all optical systems. However, due to impedance mismatch with air or vacuum, transparency has never been perfect in natural solid and liquid. Very recently, we have proposed the theory of ultratransparent media, and verified the ultratransparency in proof-of-principle microwave experiments. Compared with traditional transparent media, ultratransparent media with many advantages like no reflections could be the revolutionary new materials in the design of optical systems. In this project, we intend to systemically investigate the theory, design and application of optical ultratransparent media, and propose the design scheme of broadband, omnidirectional and polarization-independent optical ultratransparent media in visible or infrared region. The research plan includes: 1) Optimizing the design to reduce the permittivity of components of the ultratransparent media, so that the ultratransparent media can be realized by utilizing existing optical materials; 2) Generalizing the two-dimensional ultratransparent media to three-dimensions, and manipulating the polarization-dependence; 3) Optimizing the microstructures to enlarge the bandwidth of frequency of ultratransparency, so that the ultratransparency covers the visible region; 4) Designing novel optical devices based on the above results. This research will break the limit of traditional optical materials in designing optical systems, and lead to development of novel optical materials.

透明介质几乎是所有光学器件的基础。然而，自然界中的固体和液体，由于其阻抗与真空或空气不匹配，而无法实现完美的透明。最近，我们提出了超透明介质的理论，并在微波实验中做了原理性验证。相比于普通的透明介质，超透明介质具有无反射等诸多优势，因此有望成为未来光学器件设计的革命性新材料。本项目拟深入研究光学超透明介质的理论、设计与应用，提出在红外或可见光波段的宽频、全角度、偏振无关的光学超透明介质的设计方案。具体内容包括：1）通过优化设计，降低超透明介质结构材料的介电常数，直至现有的光学材料范围；2）将超透明介质的设计从二维结构推广至三维，并调控超透明介质对偏振的依赖关系；3）通过优化结构，拓宽超透明介质的透明频率范围，尽量覆盖可见光频段；4）通过以上的研究结果，尝试设计出一些新型光学器件。此研究力求突破传统材料设计光学器件的限制，并促进新型光学材料的发展。

透明介质几乎是所有光学器件的基础。然而，自然界中的固体和液体，由于其阻抗与真空或空气不匹配，而无法实现完美的透明。本项目旨在研究光学超透明介质（即拥有全角度阻抗匹配效应的新型光学材料）的设计理论，提出宽频、全角度、对偏振不依赖的光学超透明介质的设计方案，并推动超透明介质在新型光学器件中的应用发展。经过三年来项目的实施，本项目进一步发展了非局域有效介质理论，基于此，利用硅和热塑性聚酯薄膜设计了一种宽频且对偏振依赖性弱的超透明介质，其宽频、宽角度和偏振弱依赖的阻抗匹配特性在太赫兹实验中获得了很好的验证。此外，还通过引入三维结构和各向异性材料，目前已能够实现对任意偏振光波都有0~88°角度范围的阻抗匹配效应的超透明介质，即几乎任意角度下入射的任意偏振的光波在这样的超透明介质中始终有近乎100%的透射率，实现了特定频率下世界上最透明的固体材料。此外，本项目还推动了超透明介质在广义变换光学、幻象光学、全角度光学完美吸收体、5G信号无遮挡墙体设计、无反射声学超材料设计等领域的应用及产业化发展。本项目取得了丰硕的研究成果，主要研究成果包括13篇SCI期刊论文，其中12篇为第一/通讯作者，另撰写1篇综述论文；获1项美国专利授权，5项国内发明专利授权。