基于局域动态磁电耦合的人工光学非线性超构材料研究

Over the past half century, nonlinear optics has become one of the most active and important branches in optics due to its profound significance in science and application. As a key role in the research and application of the nonlinear optics, the study on the nonlinear optical materials never stops. One of the ambitious goals is realizing the precise prediction and artificial design of the nonlinear optical material. At the same time, metamaterial as a new concept artificial material, has drawn great attention in academy due to its highly manipulative electromagnetic characteristic. This project proposes an artificial nonlinear optical metamaterial based on localized dynamic magnetic-electric coupling. Based on the classical electromagnetism and wave optics, we will study the anharmonic oscillation of free electrons under the dynamic magnetic field, the localized enhancement of magnetic field of the metamaterial, and the localized dynamic magnetic-electric coupling of the metamaterial. Therefore, a novel mechanism of optical nonlinearity purely realized by the artificial structure rather than the natural nonlinear materials can be developed. This innovative theory of artificial optical nonlinearity possesses a clear physical picture and ultrahigh design freedom, which would remarkably promote the development of new generation laser and optical information technology.

近半个世纪以来，非线性光学由于其深远的科学意义和极高的应用价值，已经成为光学学科中最活跃和重要的分支之一。作为非线性光学研究和应用中的重要一环，人们对非线性光学材料的探索也从未停歇。实现对材料光学非线性的精准预测和人工设计，成为众多研究者梦寐以求的目标之一。同时，超构材料作为一种新概念人工介质材料，因其电磁性质高度可控，引起了科技界的广泛关注。本项目提出一种基于局域动态磁电耦合的人工光学非线性超构材料。基于经典电磁学和波动光学理论，通过研究动态磁场下自由电子非简谐运动原理；研究超构材料局域磁场增强理论和方法；研究超构材料的局域磁电动态耦合过程及其设计方法，开发出一种无需自然非线性材料参与而完全由人工结构实现光学非线性的新机制。这种独辟蹊径的人工机制具有清晰的物理图像，并将赋予光学非线性极高的设计自由度，有望极大的促进新一代激光技术和光信息技术等的发展。

非线性光学是现代光学的重要分支，是众多前沿光学研究的基础，其在激光技术、光谱学和光与物质相互作用等应用领域具有重要意义。作为非线性光学的核心，非线性光学材料受限于清晰物理图像的缺失，始终难以实现性质的精准预测和人工设计，严重阻碍了非线性光学的进一步发展和应用。本项目针对这一问题，将洛伦兹力的本征非线性和超构材料的动态局域磁场增强效应相结合，通过诱发自由电子的强非简谐运动，实现了一种基于局域动态磁电耦合的人工光学非线性超构材料。项目研究并掌握了动态磁场下洛伦兹力驱动的自由电子非谐运动模式，建立了从二阶到高阶非线性过程的物理模型和数学描述，同时掌握了以开口环为代表的超构材料谐振模态特性和单向局域磁场增强方法。进一步的，研究出了具有人工光学非线性特性的超构材料理论和结构设计方法。由于这种人工光学非线性来源于广泛存在的洛伦兹力，由超构材料结构耦合激发，不依赖于自然材料的本征非线性，物理过程清晰且明确，因此具有极高的设计自由度。在此基础上，利用所提出的人工光学非线性机制，本项目实现了工作在太赫兹波段的二阶非线性超构材料。通过微纳加工技术，制备得到的超构材料样品，成功实现了室温下的太赫兹二次谐波产生，解决了自然材料尚无法解决的问题，为填补非线性光学和太赫兹科学的空白提供了可行方案。在本项目支持下，共发表期刊论文22篇，包括发表在Materials Today上的研究论文和Research上的封面论文，发表顶级会议论文2篇，邀请报告2次，申请发明专利2项，项目负责人入选中国科协“青年人才托举工程”。本项目的研究成果为可集成太赫兹光源和片上太赫兹非线性系统等前沿技术提供了基础，并有望推动光通信和光信息技术的发展。