平面与三维超材料的设计、加工及其光学调控特性研究

发布时间：2020-03-28 22:39

【摘要】：超材料作为由亚波长结构单元组成的人工复合材料,因其具备诸多自然材料所不具备的奇异物理特性而受到科学界的广泛关注。它的出现打破了传统材料设计思维的局限性,为在微纳尺度操控电磁波提供了新的范式。基于新颖的微纳米加工技术,本文设计并制造了一系列平面和三维超材料结构,通过利用超材料的电磁谐振特性实现了对电磁波的频谱、相位和自旋光的有效调控,并对相应的光学调控机理进行了深入的研究。论文的主要内容如下:一、研制了一种以镜像对称连通劈裂谐振环为基本单元的新型太赫兹超材料,实现了具有大调制深度的高品质因子束缚共振模激发。利用时域有限差分理论方法,模拟了镜像超材料在太赫兹波段的电磁响应特性,并阐述了这种超材料的电磁谐振响应机理。研究结果表明,超高品质因子谐振发生在Wood-Rayleigh异常频率附近,在响应频率0.71 THz处,束缚谐振模的品质因子高达60,比传统的超材料高出一个数量级。其机理归因于:周期性阵列中产生的面内传播的集体晶格表面共振模与镜像对称连通劈裂谐振环的局域表面等离激元共振之间的强耦合,显著地提高太赫兹波与超材料结构的耦合效率并极大地降低了辐射阻尼;同时连通劈裂谐振环的镜像耦合极大地抑制体系的辐射损耗,从而导致了高品质因子谐振。这种具有超高品质因子谐振的镜像对称超材料在高性能窄带滤波器、高灵敏度生物化学传感器、光调制器,等离激元开关和低功耗非线性处理器中具有广泛的应用前景。二、制备了一种由镜像对称破缺双劈裂谐振环阵列组成的太赫兹超材料,实现了多个超高品质因子谐振响应。在镜像对称排布的劈裂谐振环阵列中,与劈裂谐振开口垂直的外场只能激发结构的偶极子谐振。通过打破镜像排列劈裂谐振环的对称性,我们在透射谱中观察到两个超高品质因子谐振,其中一个是束缚谐振模,另一个是八极子谐振模。束缚谐振模的品质因子与超材料的非对称参数有线性依赖关系,而八极子谐振模的品质因子与超材料的非对称参数呈指数依赖关系。在特定的对称破缺参数条件下,八极子谐振模的品质因子可以超过100,比传统超材料高出一个数量级。这些具有多个高品质因子谐振响应的超材料为设计超灵敏的化学和生物传感器、高性能窄带滤波器和光电探测器等提供了新的思路。三、证明了一种利用超精细太赫兹超材料实现多频谱等离激元诱导透明的方法。这种超精细太赫兹超材料的特征尺寸比传统的太赫兹超材料小一个数量级。数值模拟和实验测量结果表明,这种超精细太赫兹超材料能实现两个和三个等离激元诱导透明窗口,每个透明窗口处提供了巨大的群延迟,显著降低了相应频段太赫兹波的群速度。其中,亮模可以分别与每个准暗模独立地耦合,激发等离激元诱导透明窗口。这使得精确地控制透射太赫兹波的群速度和延迟带宽成为可能。这种超精细太赫兹超材料可以应用于光开关、光数据存储、量子计算和太赫兹通信等领域。四、利用聚焦离子束应变诱导的三维折叠微纳米结构加工技术制备了一种新奇三维环磁超材料。基于这种三维折叠超材料,实现了由表面等离激元诱导的环磁偶极共振响应,并且在红外波段同时观测到了多个具有高品质因子的环磁偶极共振现象。在环磁偶极谐振频率处,亚波长三维结构中出现了紧束缚磁涡旋。这种具有高品质因子环磁偶极谐振的超材料在超灵敏生物化学传感器传感器、光调制器、窄带滤波器、非线性光学和低阈值等离激元激光等领域具有广泛应用前景。五、研制了一种具有强本征三维手性的折叠超表面,在红外波段实现了自旋光的分辨和选择性透射。这种由反镜像对称劈裂谐振环折叠而成的三维结构能够选择性的透射一个自旋态的圆偏振光,而使得另一个自旋态的圆偏振光被反射或吸收。随着折叠角度的优化,这种折叠超表面在红外波段的圆二色性值高达0.7,并且对应自旋圆偏振光的最大透过率大于92%;其本征手性光学响应主要来源于磁电耦合、环磁偶极和电四极共振共同作用。这种折叠超表面可以应用于一系列新型光子自旋选择器件。六、研制了一种能够在多个频段实现自旋光的选择性传输的折叠η形超表面。通过沿垂直方向折叠形超表面,从而打破空间的镜面对称性,实现了本征手性构型。实验结果表明,这种折叠η形超表面的圆二色性高达0.8,且相应自旋圆偏振光的透射率超过了93%。折叠η形超表面为本征三维手性的实现和调控提供了一种直接的策略,而且在光子自旋选择器件和手性生物分子鉴定方面有重要的应用价值。
【图文】：

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图 1.1 电磁波谱示意图Figure 1.1 Electromagnetic spectrum diagram电磁波是由同相位且互相正交的电场和磁场产生的振荡粒子波，在空间中以波的形式传递动量和能量。按照频率范围电磁波可分为不同的频带，，频率从低到高依次可以分为无线电波、微波、太赫兹波、红外光、可见光、紫外线、X 射线和伽马射线等。不同频率的电磁波的产生方式、与物质相互作用的方式、以及应用领域都不相同。例如：无线电波一般用于通信领域；微波用于雷达和卫星通信以及微波加热等；红外光通常用于遥感、热成像、制导等，可见光用于成像和观测等；紫外线用于杀毒消菌和光刻等；X 射线用于医学成像诊断、治疗和晶体学分析等；伽马射线用于工业检测和医疗等。描述电磁波固有属性的主要参量包括：频率、振幅、相位、偏振态等。通过对电磁波的属性参量进行有效控制，可以调控电磁波的传播方式和传播状态，实现各种信息功能器件。

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图 1.2 (a)由劈裂谐振环和金属构成的左手超材料；(b)实验观测到的负折射现象[19]Figure 1.2 (a) Left-handed metamaterial composed of split resonant rings and metals wires (b)Experimentally observed negative refraction by the left-handed metamaterial[19]通过调控等效介电常数和磁导率，还可以实现对电磁波的传播路径的控制，使得电磁波绕过障碍物体而继续传播，这就是电磁隐身材料的基本原理。2006年美国杜克大学D. R. Smith教授和J.B. Pendry教授等人基于变换光学的理论[27]，设计并制造了由一系列劈裂谐振环阵列按照特定空间顺序组装而成的人工超材料，在微波频段实现二维柱状的“隐身斗篷”[28]，如图 1.3 所示。相关研究成果发表在《Science》杂志上，并被评为 2006 年世界十大科技进展。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O441.4;TB34

【参考文献】