可调不确定型超材料的反常传输特性与定向辐射应用研究

Indefinite metamaterial (also called "hyperbolic metamaterial") is a special class of anisotropic metamaterials and it has wide application prospect in many fields such as communication, photonic integrated circuits, radars, and military affairs. The main characteristic of indefinite metamaterial is that not all of its principal components of equivalent permittivity and permeability tensors have the same sign. Indefinite metamaterial can be further divided into four subtypes: Cutoff, Anti-cutoff, Never cutoff, and Always cutoff media. Combining with the highly anisotropic properties of indefinite metamaterial and its response characteristics to external fields, in this project, we theoretically explore the anomalous transmission characteristics of electromagnetic wave and the application in directional emission based on two-dimensional tunable indefinite metamaterials, by using Effective-Medium Theory, Transfer Matrix Method, and Finite Element Method. The main research contents include: (1) the implementation approaches and parameter conditions of arbitrary topology type conversion between the dispersion relations of four indefinite media; (2) the concrete design of tunable indefinite metamaterial and its optimal regulation scheme of controllable conversion under external fields. (3) the dynamic evolution characteristics and regulation mechanism of anomalous transmission behaviors during the conversion course between different indefinite media; (4) based on the above researches, to design a tunable directional emitter with high adjustment sensitivity in its divergence angle and beam direction. The research of this project will not only help to enrich the research content of metamaterials, but also provide useful reference for designing novel tunable metamaterial devices in the future.

不确定型超材料(也称双曲型超材料)是一类特殊的新型各向异性超材料，在通讯、集成光路、雷达、军事等众多领域具有广阔的应用前景。其特点是它的等效介电常数和磁导率张量的主轴分量中仅部分分量为负值，可进一步分为截止、反截止、无截止和全截止介质四类。本项目结合其高度各向异性特点和外场响应特性，综合运用等效介质理论、传输矩阵法和有限元法，从理论上研究二维可调不确定型超材料中电磁波的反常传输特性，以及定向辐射方面的应用。主要包括：(1)从理论上研究色散关系的拓扑类型任意转换的实现途径和参数条件；(2)设计具体的可调不确定型超材料并研究其外场可控转换的最优化调控方案；(3)研究不确定介质转换过程中电磁波反常传输行为的动态演化特性及其调控机理；(4)在上述基础上，设计发散角、波束方向灵敏可调的高性能定向辐射器。本项目的研究不仅有助于丰富超材料的研究内容，而且可为今后设计新型的可调超材料器件提供有益参考。

不确定型超材料（也称双曲型超材料）具有极其丰富的能带特性及独特的传输性质，在通讯、集成光路、军事等领域具有广阔的应用前景。本项目结合石墨烯、YIG、液晶等材料的外场响应特性设计了多种可调不确定型超材料和光子晶体结构，深入研究了各种反常传输效应及其有关应用。主要成果包括：（1）设计了石墨烯/介质型的电响应不确定型超材料，研究了不同色散拓扑类型的转换机制，以及电磁波的负折射、全反射、零反射性质，设计了灵敏可调的定向辐射器和两类(正折射/全反射、正/负折射效应)光开关；（2）以YIG为基础构建了磁可调超材料波导。首先研究了两侧陈数相反的单向波导的非对称透射和相位性质，设计了磁控三端口环形器和多路可调分束器；然后研究了两侧陈数相同的双向波导的独特慢光色散特性，利用波导两侧界面上反向传输的一对单向拓扑态的强烈耦合实现了低群速度、零群速度色散的新型可调慢光。（3）研究了二维光子晶体的超准直、超棱镜效应及其应用。利用低对称性二维光子晶体的超宽带平坦能带特性实现了宽带全角超准直光传输，据此设计了高效光分束器；利用外电场打破了向列型液晶二维光子晶体的能带结构对称性，获得沿ГM方向具有强烈超棱镜效应的单模频带，并设计了一种电控光束偏转器。（4）研究了表层厚度渐变的非对称耦合腔光子晶体的反射率及反射相位特性，利用TE、TM 模式的相位差敏感依赖于表层厚度这一性质，设计了一种可在聚焦区域降低激光相干性的光子晶体结构。（5）在人工微结构全息制作方面开展了实验研究，掌握了光束配置和偏振组合对微结构制作类型和元胞形状的影响规律。本研究不仅为设计新型可调超材料的实现机制及相关应用提供了新的思路，而且为开辟拓扑光子学中不同单向拓扑态相互耦合这一新的研究方向提供了重要的启发性线索。