基于手性人工结构材料的太赫兹波偏振特性动态调制方法研究

Polarization manipulation has been widely utilized in optical system, modern microwave communication and infrared imaging domain. However, the research on polarization manipulation in Terahertz band is still minor, and most of the introduced polarization manipulation applications suffer the disadvantage of high insert loss and single output polarization character. Metamaterials provide an effective approach to manipulate the polarization states of the incident light. We will further investigate the theory of polarization manipulating of the artificial metamaterials in Terahertz frequency range, and study the effect of surface plasmonic on the polarization conversion. Effective design method of constructing chiral metamaterials with high effect, multi-polarization and tunable polarization would be provided in this project. Fabrication and measurement technique of sub-wavelength scale and multi-layer structure in Terahertz frequency range are studied. This project may provide theory and technology basement for the wide use of Terahertz waves.

对电磁波偏振特性调制已经广泛应用于光学系统、微波通信系统以及红外探测成像等领域中，然而对太赫兹波段的偏振调制的研究还相对较少，并且现有的大多数偏振器件具有偏振调制性能单一，偏振转换效率低等缺点；利用人工结构材料是实现对太赫兹波偏振性能调控的有效技术途径。本项目进一步研究基于手性人工结构材料的太赫兹波段偏振调制机理，探索太赫兹波段金属表面等离子体效应对人工结构材料偏振调制性能的影响；研究低损耗偏振动态调制型手性人工结构材料的设计方法，并开展太赫兹波段亚波长人工结构材料的加工工艺和实验测试研究，为太赫兹波的广泛应用奠定理论基础和技术支撑。

针对传统手性材料电磁耦合效应弱、偏振转换效率低，且难以动态调控等缺陷，本课题基于人工结构材料对电磁波的奇异调控特性出发，深入研究了手性人工结构材料的物理机理，建立了手性人工结构材料实现电磁波偏振调控的数理模型，为手性人工结构材料的研究和设计奠定了理论基础。在此基础上，完成了多种偏振人工结构材料器件的设计和制备，包括基于亚波长结构的轨道角动量激发和辐射器件，将入射的圆偏振电磁波转换为携带轨道角动量的光束。以及完成了基于亚波长结构的偏振动态调控器件，通过控制引入单元结构的有源器件实现对入射电磁波偏振态的调节，并同时实现对电磁波辐射方向的动态操控。在深入分析和研究手性人工结构材料的基础上，综述了手性人工结构材料的基本原理、设计方法和应用前景，为手性人工结构材料发展提供了基础指导。经过三年的研究，本课题共发表SCI论文8篇，申请发明专利2项。