平面手性亚波长周期结构中的人工旋光性及其共振增强机理研究

手性超颖材料是近些年刚发展起来的一个有着重要应用潜力的前沿研究领域，是由非光活性物质（如传统介质和金属）组成但具有手性特征设计的人造微纳结构，其旋光性源于结构手性、而非组成材料本身。作为手性超颖材料的重要组成部分，平面手性亚波长结构依靠其中普遍存在的光栅共振效应可使旋光性显著增强，比旋光度较自然光活性物质提高几个数量级。本课题对作用于可见光和近红外波段的平面亚波长手性结构开展系统性的研究，完善理论分析方法，深入探索不同的光学共振和反常效应对旋光性增强的具体物理机制，揭示光与手性结构相互作用过程，探索有效降低手性结构中透射损耗的方法，为发展复杂手性结构及其性能优化提供理论依据。在此基础上，争取实现零级偏振旋转达90o或等效比旋光度达10^6 o/mm的手性结构，使之具备任意角度的偏振旋转能力，为发展出一类与传统的偏振光栅形成互补的新型高集成度偏振调控器件打下坚实的基础。

手性超颖材料是纳米光学领域的一个研究热点，通过光与纳米结构的手性相互作用，产生自然材料所不能实现的超常效应，如巨旋光、负折射等。作为手性超颖材料的重要组成部分，平面手性超颖材料（或称为超颖表面）因其结构相对简单，最有可能在光学波段产生实际应用。本课题着眼于光与超颖表面的手性相互作用，从基本原理创新出发提出多种新颖器件，实现对光的传播、偏振、相位、耦合、以及能量转化的有效调控。经过三年的积极探索，不仅达到了预期的研究目标，还对几个关键科学问题深化研究、扩展应用，取得了重要科研成果，超额完成研究任务。主要研究成果归纳为以下四个方面：.1. 平面手性亚波长周期结构的偏振调控特性：建立了一种分析任意入射条件下任意二维周期结构的本征偏振态的系统性方法，填补了此类理论方法的空白；研究了硅基全介质手性结构的偏振调控特性，将手性结构和高反膜系结合，实现透射和旋光效应的双增强；提出一种二维金属手性网络，可显著增强其透射光的旋光性；深入研究各种光学共振效应增强旋光性的机理，对两种互补的金属手性结构的生化传感特性研究分析，使其手性灵敏度大大增强；研究了全介质导波模共振光栅的偏振依赖性，实现了垂直入射下偏振不敏感的共振滤波效应。.2. 手性光场与超颖表面的相互作用：提出一种具有表面相位突变特性的纳米天线阵列，通过手性光场与超颖表面的作用实现纳米像素的相位调控；研究相位调控方法，实现了具有宽带无色散特性和手性选择性的超颖表面，展示了广义折反射定律及负折射现象；通过对纳米天线阵列的排布，实现了宽带涡旋光束生成、手性调控双极性超透镜、手性选择性SPP激发、三维纳米全息成像等新颖功能应用。.3. SPP手性激发调控及其相关应用：研究了基于多狭缝结构的SPP定向激发原理，通过在结构中引入对称性破缺（即手性特征），实现SPP高效定向激发；利用左右旋圆偏振光的手性选择性，实现SPP的可调控激发；提出并实现了无泄漏SPP透镜、SPP定向耦合器等新颖功能器件。.4. 探索了基于DNA自组装技术生成三维手性纳米晶体结构，取得了初步的实验成功并测试了其双折射特性，验证了该方案的可行性。.发表SCI论文15篇，其中多篇论文在Nature Commun.等本领域顶尖期刊发表，获得授权发明专利1项，培养博士生2名、硕士生1名，其中1名博士生已毕业并获评“清华大学优秀博士毕业生”、“清华大学校级优秀博士学位论文”。