各向异性折射率特性微纳结构阵列基础研究

Some natural materials, such as quartz and calcite, have outstanding anisotropic refractive index (ARI). However, this property is restricted by their intrinsic dielectric constants and limited refraction angle, which lower the phase tunability for propagation waves. The emerging nanostructures with dimensional sizes less than elecromagnetic wavelengths show unusual optical properties that natural materials do not possess. The giant ARI of the nanostructures are determined by their structure patterns, sizes, and materials instead of their intrinsic constituent. The dielectric permittivity and permeability of metal-dielectric-metal nanostructure depend on their patterns and dimensions. The properties of ARI promote the developments of novel optical devices, such as ultrathin flat lenes and circular polarizer. Patterns of Tetris nanostructures have been proposed to obtain the properties of giant ARI. The dependence of the their dielectric properties, and their anisotropic refractive index on the array patterns, dimensional sizes, and constituent materials (PSM) will be investigated numerically and experimentally in infrared region. The optical resonance spectra, and phase abrupt change in orthotropic direction of the Tetris nanostructures will be studied. The devices of ultrathin flat lens and circular polarization modulator will be constructured using the Tetris nanostructures due to their significant ARI property. Devices fabrication and characterization of their optical birefringence properties will be performmed. The proposal works will provide the academic foundation for novel optical devices such as phase modulator of light, and ultrathin flat lens. The novelty in this proposal focus on the nanostructures with giant anisotropic refractive index(ARI) and the development of circual polarizatio modulator and ultra-thin lens.

当几何尺度接近或者小于光波长时，金属-电介质-金属微纳结构的周期性阵列形式、结构尺寸、基底材料的不同使其具有可调节的各向异性介电性能参数（磁导率系数μ、介电系数ε），及介电性能空间梯度分布；这种介电性能特性是研究各向异性折射率系数材料、正交相位差材料、以及新型光学器件的物理基础。本项目提出俄罗斯方块(Tetris)式微纳结构单元及阵列，研究其各向异性介电性能、折射率光学特性及其影响机理；研究Tetris微纳结构阵列的透射散射谱、谐振频谱效应、及正交相位差特性；研究基于各向异性折射率系数微纳结构的超薄平面透镜及圆偏振光效应器件；制备器件、建立各向异性介电参数测试系统及表征方法。预期在微纳结构介电/光学特性参数的影响机理、多层复合结构谐振效应方面取得突破。项目创新性包括：微纳结构阵列形式及尺寸对其各向异性折射率系数影响研究；基于Tetris微纳结构阵列的超薄平面透镜及圆偏振光效应器件研究。

当几何尺度接近或者小于光波长时，微纳结构粒子具有新颖的光学特性，如基于等效介质折射率梯度的各向异性特性。本项目研究了微纳结构的各向异性折射、光热效应、纳米粒子的各向异性散射，进行了理论基础研究、仿真分析、和实验测试。.在理论研究方面：本项目采用严格耦合波分析研究二维微纳结构色散方程，对金属孔结构、电介质孔结构、渔网结构和完美吸收器结构的透反射特性进行计算。采用离散偶极子近似理论（DDA）研究电介质非球形纳米粒子的光磁散射特性，计算各种非球形纳米粒子的光散射特性，以及电磁多极子散射谱分解。软件编程实现了基于DDA理论的多极子分解计算。研究电介质纳米粒子多极子对电磁散射特性的影响，解释了前后向散射等特殊散射现象的机理。采用格林函数方法研究硅纳米粒子的光热特性，得到粒子内部的电磁矢量分布和理论温度，并根据Mie散射理论分析了硅纳米粒子中的谐振发热现象。.在模拟仿真分析方面：采用时域有限差分法研究复合微纳结构的光学特性，包括微纳天线阵列的吸收谱，研究结构参数对吸收谱的影响，得到谐振吸收波长下的电磁场和能量场分布，并根据仿真结果设计了MIM结构的红外窄带热辐射源；根据Huygens原理和广义Snell透反射理论，仿真分析透反射场操纵特性。优化设计的2π相位梯度变化阵列结构，实现了对反射、透射光操控，设计了超薄微纳结构阵列光学器件。.在试验测试方面：项目建立了微纳结构粒子明/暗场透反射谱测试系统，适用于可见光以及近红外波段。采用电子束和等离子刻蚀工艺制备了金属、硅纳米粒子结构；采用建立的透反射谱测试系统，以及激光拉曼光谱仪，验证了微纳结构的透反射谱，以及电介质硅纳米粒子光热转换效应。结果表明硅纳米粒子在532nm激光（功率2.3mW/μm2）照射下温度升高了300K。.项目得到的理论研究结果、试验测试系统、以及微纳结构光学器件，为后续基于超薄微纳结构阵列的光学器件研究提供了基础。项目公开出版英文编著1本，发表SCI论文2篇，EI论文1篇，申请专利3项。