用于电磁能流调控的新型材料和器件的实验研究

Transformation optics (TO) is a brand new methodology of controlling electromagnetic flux and can realize many exotic electromagnetic phenomena, e.g. cloaking, with metamaterials implementation. However, the fancy TO devices suffer from single working frequency or narrow bandwidth limitation and bulky volume disadvantage, which seriously constrain the relevant practical applications. On the other hand, the metallic structure with periodical subwavelength slits has exhibited multiple frequencies of extraordinary optical transmission （EOT）， a consequence of Fabry-Perot（FP） resonance inside the slits. Furthermore, newly proposed flat optics materials, which are termed metasurfaces, enable the optical design within deeply subwavelength thickness scale and are receiving intense attentions. In this proposal, we are going to employ these novel electromagnetic materials to conduct three topics of experimental research: (1) testing a type of TO devices with multiple frequencies of zero scattering cross-section induced by FP resonance; (2) observing the cloaking phenomenon in metasurface-loaded waveguides; (3) realizing a new approach of energy flux control which is different from TO. Our research will not only pave a new way to manipulate electromagnetic energy flux beyond TO, but also bring about the first connection and crossing among the three hot fields, TO, EOT and metasurfaces, which will probably initiate the new research direction concentrated on energy flux control.

变换光学作为一种全新的电磁能流调控设计准则，可以实现隐身等奇特电磁现象，然而相关变换器件单频或窄带的频谱特点以及厚重的尺度严重限制了进一步的实际应用。另一方面，带亚波长间隙的金属片周期结构组成法布里-泊罗共振材料，展现出多频率的反常光透射特征；新近发展的二维光学材料- - 超平面能在超薄尺度上实现传统光学设计，正在为越来越多的研究者所关注。在本项目里，我们利用这些新颖的电磁材料在实验上实现（1）一类具有多重工作频率和零散射截面的法布里-泊罗共振型变换光学器件；（2）内嵌超平面材料的波导管里的隐身现象；（3）不同于变换光学的新型能流调控效应。这三方面能流调控材料及器件的研究不仅带来了超越变换光学的新设计思路，也首次联系了变换光学、反常光透射和超平面这三个热点领域，有可能形成以能流调控为核心的新交叉方向。

二十一世纪以来，以超材料、光子晶体、表面等离激元为代表的人工结构光学材料和现象的研究取得了突破性进展，不仅在基础科学发现上推动了传统光学研究进入亚波长领域，产生了负折射、光子带隙等新物理，也在技术应用上带给人们调控光传播能力的革新突破，像超透镜成像、光子晶体光纤等。特别是从这些研究里诞生的变换光学新理念和平面设计架构催生了隐身、超表面等光学领域的颠覆性发现，并且融合了不同电磁频段（从射频/微波到可见光）的波动光学研究，同时促进了微纳光子学等技术领域的高速发展。本项目主要研究这些人工结构光学材料用于电磁能流调控的一些新方案，包括（1）一类具有多重工作频率和零散射截面的法布里-泊罗共振型变换光学器件；（2）内嵌超表面材料的波导管里的隐身现象；（3）不同于传统超材料和变换光学的新型电磁材料及效应。相关成果至结题时在《Nature Communications》，《Physical Review Letters》等SCI期刊上发表,共计15篇。本项目的部分工作开拓了崭新的多频/宽频材料和器件，努力解决领域里窄频带限制这一重大技术障碍。 另外，在超薄尺度里实现新颖的电磁能流操控的工作，在微纳光子器件研制、高性能隐身材料开发、拓扑光学基础和应用研究方面具有重大价值。