基于对称破缺渔网结构的光波段三维手性超材料的多光子制备及光学特性研究

The fishnet stucture, stacked multilayer metallic film patterned with two-dimensional (2D) arrays of subwavelength air holes, is the most popolar metamaterial design at optical frequencies. The objects of previouse study on fishnet metamaterials are mainly focus on the quasi-three-dimensional structures, which are translational invariant along z-direction, due to the planar fabrication technology. This project will study the optical properties of three-dimensional (3D) fishnet metamaterials with broken symmetry. We will fabricate 3D fishnet metamaterials with multi-photon direct laser writing method, study the reflection, transmission and polarization rotation of line (and circular) polarized light in 3D fishnet structures with different geometric configurations and broken symmetries, and create 3D chiral metamaterials in optical frequencies. We will study the physical origin of the chiral resonant modes and the broad band negative index, investigate the correlation between local surface plasmon resonance and the magnetic response of fishnet metamaterials, construct the effective medium theory of chiral metamaterials at optical wavelengths. Our results will provide the theoretical and experimental foundations for future 3D chiral metamaterials and device applicatoins of 3D complex optical metamaterials.

具有亚波长空气孔阵列的多层金属薄膜渔网结构在光波段具有良好的电磁响应特性，是实现可见光/红外波段低损耗人工电磁超材料负折射率的首选结构。当前渔网超材料的研究对象主要是基于平面加工工艺的准三维多层结构，在传播方向具有平移不变性，难以产生光学手性和三维负折射率。本项目以光波段三维渔网结构为研究对象，引入结构及极化矢量的本征及非本征不对称性，利用多光子激光直写加工技术，制备三维手性渔网结构；结合理论分析和电磁场数值仿真手段，研究不同几何构形及对称破缺度的渔网结构的光学响应，分析线/圆偏暗振光在渔网结构中的反射、透射及偏振矢量旋转特性，实现三维的光学手性超材料；研究对称破缺引起的手性光学模式的物理起源及相应的宽带负折射率响应特征；阐明金属局域表面等离子体共振与手性渔网结构中磁响应的关联，建立光波段手性光学超材料的有效介质理论，为光波段三维手性体材料研究及光子学器件应用提供理论及实验基础。

近年来，利用由金属微纳结构构成的亚波长光子学结构实现对光波的空间传播、频谱选择及偏振态控制是光学的热门重要研究方向。作为纳米光子学研究的重要组成部分，超材料结构由具有共振单元组成的周期金属微纳结构构成，通过调整共振单元的几何结构、周期结构的对称性可以实现包含负折射率在内的多种新奇光学效应。本项目中我们研究在50纳米厚的金属薄膜上刻蚀宇称对称性破缺的广义渔网结构，利用空间对称破缺与周期结构平移轴之间的非平庸的角度，可以实现最高接近45度的旋光性；在双层结构中，在单层结构的基础上引入复合周期实现结构的三维手性，我们发现该结构支持双带的负折射率和负手性参数；我们除了用激光直写结合金属蒸发技术加工了理论上设计的手性超材料之外，还在金属盐溶液离子液体中通过飞秒激光直写方式直接加工出二维金属超材料，这是该类型加工方法中唯一与理论设计相一致的报道；我们还进行了变换光学方面理论研究工作，在前人工作基础上引入拓扑缺陷，该缺陷携带曲率奇点可以有效的控制光束的吸引与排斥，该工作是标准变换光学的理论拓展，有可能被用于实现经典和量子波在弯曲时空中运动规律的光学模拟。