超构表面波的色散工程方法论

色散是结构和材料中电磁波的基本属性之一。一般而言,色散会导致信号畸变和器件的带宽受限。但如果能适当地对色散进行调控,可提高器件和系统性能。例如,色散调控可以抑制光纤的非线性效应,实现密集波分复用以及光孤子传输。然而,自然界材料的色散由材料的基本粒子(分子或原子)决定,人们很难改变其固有的色散特性。由亚波长结构组成的超构表面是当前光学领域的研究热点,其色散特性可人为调控,使很多全新的电磁功能器件成为可能。

近日,中科院光电技术研究所罗先刚研究员和其他研究人员对超构表面中电磁波的色散调控原理、方法及其应用研究进展进行了系统梳理。在前期提出的超构表面波理论基础上,系统地讨论了表面等离子体波导和高折射率介质波导的模式色散、金属亚波长结构的洛伦兹色散、以及空间非均匀各项异性结构的无色散几何位相。在色散调控方法方面,从“异常杨氏双缝干涉”现象出发,回顾了通过对纳米膜层进行堆叠、弯曲、旋转等一系列变换后,亚波长结构中超构表面波的悬链线光场分布、双曲色散等奇异物理效应,通过对金属纳米结构近场耦合特性的研究,揭示了超构表面所具有的悬链线色散特性。进一步探讨了超构表面波色散工程在超分辨成像光刻、消色差和大视场光学成像器件、多谱段电磁特征控制、超宽带电磁吸收、偏振转换、彩色显示等方面的应用。

该论文对深入了解超构表面波的色散工程以及相关功能器件的设计具有重要的指导作用,发表于Advanced Optical Materials (DOI:10.1002/adom.201801376)上。