手征超常介质的不对称传输特性及其机理研究

The asymmetric transmission of electromagnetic waves in the chiral metamaterial is a new electromagnetic phenomenon. The chiral metamaterial has sub-wavelength unit cell structure, thus it can be miniaturized and integrated, which promise a new route to control transmission and polarization of the electromagnetic wave (optical wave). The purpose of this project is to investigate effects of structure shape, geometrical size, and material parameters on the asymmetric transmission for single, double and multi-layer chiral metamaterials by theoretical analysis, numerical simulation and optimizing design, sample fabrication and measurement, to clarify mechanism of the asymmetric transmission of electromagnetic waves in the chiral metamaterial via anisotropy, chirality and loss. We will design and fabricate the chiral metamaterials with large asymmetric transmission parameter which can be used as "optical diode" operating in microwave and optical frequency regions, to realize broadband, tunable, multi-band asymmetric transmission. Take advantage of the unique properties of asymmetric transmission in the chiral metamaterial, we can design novel microwave and optical devices, such as broadband circular polarization transformer, isolator, and filter. This project would product new significant results with independent intellectual property, they provide scientific foundation for design and fabrication of novel microwave and optical devices.

手征超常介质的不对称传输性质是新发现的电磁现象，而且手征超常介质具有亚波长的结构尺寸，便于小型化和集成化，为控制电磁波(光波)的传输与偏振提供了一个新的途径。本项目将通过理论分析、数值模拟优化设计、实验样品制备和测试及分析相结合的方法，系统地研究结构形状、几何参数和材料参数等对单层、双层和多层手征超常介质不对称传输特性的影响，阐明手征超常介质产生不对称传输的物理机理，特别是各向异性、手征性、损耗等对不对称传输性质的具体影响，优化设计和实际研制出具有极大不对称传输参数、在微波段和光波段实现"光学二极管"功能的手征超常介质，并实现不对称传输的多功能化如宽带、可调谐、多频带等，利用手征超常介质不对称传输的独特性质设计新颖的微波和光子学器件如宽带圆偏振转换器、光隔离器、滤波器等。本项目有望产生具有创新意义和自主知识产权的研究成果，对新型的微波和光子器件的设计和制作提供科学依据和研究基础。

手征超常介质的不对称传输性质是新发现的电磁现象，而且手征超常介质具有亚波长的结构尺寸，便于小型化和集成化，为控制电磁波(光波)的传输与偏振提供了一个新的途径。本项目优化设计了一系列手征超常介质（超材料）结构，包括多层纳米手征结构、全介质手征超表面等等，在光频段具有宽带、双带、多带圆偏振光和线偏振光的不对称传输，最大不对称传输参数都达到0.9以上，与“光学二极管”类似，而且能实现宽带90°偏振旋转；阐明了多层手征结构实现大的不对称传输参数的物理机制；优化设计并制备了微波段的三功能超表面和多层超表面，理论和实验结果证明了三功能超表面实现了光束分离、偏折和聚焦，多层超表面对相互垂直的两种线极化波具有多带和类二极管不对称传输特性，且具有线极化波的相互转换；优化设计了在太赫兹频段具有多带不对称传输特性的互补型周期双层手征结构；利用飞秒激光双光子微加工技术，制作了一系列平面图案和三维立体结构；完成探索研究并形成了一套可行的采用电子束光刻等技术手段，研制出在光频段实现“光学二极管”功能的多层结构手征超常介质的工艺制造技术。项目研究结果具有重要的学术价值和现实意义，在新型的微波和光子学器件的设计和制作等方面有潜在应用前景。