厘米尺寸Dirac人工电磁材料的制备和调控研究

Utilizing the special photonic band of metamaterials, for instance, degenerate state, to manipulate photonic movement is of great significance to develop photonic information technology. It is the key point to realize applications of Dirac metamaterials by increasing degrees of freedom in the modulating of degenerate state, enlarging effective sample size as well as enhancing the reality of computer simulation. This project aims to construct Dirac metamaterials by anodic alumina oxide (AAO) over centimeter scale, then to investigate the effect on the photonic-band structure by tuning parameters of the embedded lattice, finally to realize the controlling of generation and modulation of Dirac degeneration state. Imprinting technique and optimized oxidation condition are working for enlarging sample size. The symmetry and position of the embedded lattice are investigated for the related phenomenon of degenerate state, and the Maxwell equation and perturbation theory are used to improve simulation accuracy. Combine the angle-related spectra and ultra-fast laser system to investigate the photonic band structure and nonlinear optical property. Therefore, this project is important and beneficial for advancing the application of Dirac metamaterials.

利用Dirac点特殊的能带结构操控光子的运动，对发展光子信息技术具有重要意义。增加Dirac简并态调控的自由度、提高样品制备尺寸及理论计算的仿真度,是Dirac光子材料广泛应用的关键。本项目选取阳极氧化铝模板构筑厘米尺寸Dirac人工电磁材料，并通过结构嵌套及材料复合提高对样品能带调控的自由度，实现Dirac简并态的产生及打开现象。项目创新点：（1）利用压印技术及优化阳极氧化参数的方法制备厘米级样品；（2）利用晶格嵌套调控阵列的几何排布，提高晶格参数自由度；（3）利用晶胞嵌套引入次级原胞，提高晶胞参数自由度；（4）利用材料复合提高材料组分自由度。同时结合样品在角度分辨光谱、超快激光脉冲系统下的实验数据及在理论仿真下的计算数据，深入研究Dirac人工电磁材料能带间的相互作用、非线性光学特性及结构嵌套、材料复合引发的线性能带简并机制。该项目对推动人工电磁材料的发展及应用具有重要意义。

研究发生在人工电磁材料（如光子晶体、等离激元晶格、超表面等）中的光与物质相互作用，有利于揭示在亚波长尺度微纳结构中光的传播过程。通过在阵列微腔中高对称点嵌套、改变阵列式的结构参数，从而实现对光子能带的调控，实现光传播中对偏振、相位、波长、局域时间等光参量进行调控。本项目目的是实现大面积人工电磁材料的构筑与调控，主要开展了：（1）正方及六方等离激元晶格理论模型的构筑；（2）实现厘米级正方、六方晶格及高对称点嵌套获得超晶格制备工艺；（3）基于等离激元晶格与二维材料的强耦合研究；（4）基于等离激元晶格与发光材料的放大自发辐射研究。.项目执行期内，项目负责人带领团队成员在分析模式间相互作用方面编写了空晶格近似模型、耦合偶极子模型、多极子展开模型、耦合谐振子模型、强耦合经典模型、腔量子电动力学模型、Winger函数概率分布模型等。实验上发现了等离激元晶格与二维材料的强相互作用作用，与染料分子、稀土材料间的放大自发辐射现象。相关工作以通讯作者发表SCI论文10篇，给予邀请报告2次，组织学术活动2次，申请获批JW项目、JKW173重点项目课题、省基金，培养学生获得国家公派留学基金1人，国家奖学金1人。