电磁超表面中近场耦合微观机理及应用研究

In recent years, metasurface has attracted tremendous attention, since it offers a new approach to manipulate light by merely a sheet of subwavelength artificial ‘metaatoms’. However, current wave-control mechanisms in metasurface are mainly based on tailoring macroscopic profiles of metaatoms, and the study of the internal mechanisms (near-field coupling) is absence, which hampered the capability to manipulate light in the near field and by the near field. In this proposal, we plan to solve this issue by establishing a complete theoretical framework to consider the interactions between far-field radiated waves, metaatoms and surface plasmon polaritons. Based on such a theory, we also plan to propose a series of novel applications, including surface plasmon holography, broadband/non-dispersive/ frequency-division multiplexing metasurfaces, optical invisibility and illusion devices. We believe such new mechanism devices have potential applications in military and communion field.

电磁超表面，因其具有实现对于光场波前的自由调制的能力，近年来引起了广泛的关注。然而，现有的关于电磁超表面的发展集中在调制宏观排列方式上，而对于其的内在（近场）耦合机理的研究是非常匮乏的，这极限制了人们通过近场调控远场散射的能力。本项目提出开展电磁超表面中局域态与散射态（同时包括表面等离激元和远场传播模式）的耦合问题的研究。基于耦合模理论建立描述局域态与散射态之间耦合理论框架，并解决其中描述局域态和散射态的动力学方程中如何对局域场和散射场的正交归一化的关键理论问题。并在此基础上，实现一系列通过近场调控远场辐射的典型应用，包括表面等离基元全息、宽带/无色差/频分复用电磁超表面、光学隐身/幻象电磁超表面。以此不但推进电磁超表面理论层面的发展，也能满足国防、通信领域的迫切需要。

电磁超表面，因其具有实现对于光场波前的自由调制的能力，近年来引起了广泛的关注。相对于单共振体体系，由多个电磁共振体（人工原子）组成的超表面有着更大的调控自由度和更令人着迷的现象。然而，现有的关于电磁超表面的发展集中在调制宏观排列方式上，而对于其的内在（近场）耦合机理的研究是非常匮乏的，尽管人们在实验方面取得了长足的进步，对于耦合问题的理论理解仍远未令人满意，这极大限制了人们通过近场调控远场散射的能力。针对这一重大科学问题，我们建立并发展了一套完整的描述耦合体系的理论方法，预测复杂耦合电磁共振系统的响应，且能作为全新的理论工具来指导设计满足特定需求的电磁共振响应系统，并可以拓展到研究其他类型的波的耦合系统。在此基础上，提出并实现了一系列新型器件，包括高截止透明窗口的小型化透射式器件、动态可切换电磁窗口，积极寻求成果转化，并取得了一定突破，设计了新型雷达隐身天线罩可以实现高频高截止特性隐身以及超表面高隔离度SAR天线。未来，我们拟在这些方向上持续投入，力争将更多的基础研究成果服务于国防等重大应用需求。