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研究介绍 |
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波功能介质包括电磁特异介质、光子晶体及等离子激元介质等人造介质。基于共振或是布拉格散射机理，这些功能介质具有相当奇异的电磁波传输、散射性质，因而在信息传播等领域中具有广泛的应用价值。我们从2001年开始这方面的研究，取得了如下重要成果： 11.发现利用梯度特异介质表面可实现电磁波传播及表面束缚模式的完美转换 （二）磁性研究 |
（一）波功能介质 传统的调控光波偏振状态的方法包括利用光栅、双色材料，或是利用布鲁斯特现象、双折射现象等。这些方法各有其特点，但一个共同的缺点是这些体系都不是全反射（或全透射）的，因而在应用的过程中总有一个信号损失的问题。2007年，我们与浙江大学、香港科技大学合作，提出一个基于电磁特异介质的调控光波偏振的新方法。利用一类特定的各向异性特异介质来反射一个具有特定线偏振的电磁波，我们原则上可以得到任意的偏振状态（线偏振、圆偏振、椭圆偏振等）；更有意思的是，在某些特定条件下，我们可以实现完全的偏振转变，入射的s波经过反射后完全被转化为p波。 我们设计出真实的结构，利用实验和数值仿真实现了这个想法。理论计算与实验、模拟完美吻合。 我们进一步把调控偏振的研究推向可见光波段。虽然对人工电磁特异介质的研究已有了很大的进展，许多理论被提出并在微波段得到了验证，但在可见光波段实现这些理论的工作却非常稀少。这里主要的挑战来自两方面：一方面，实验上对可见光人工电磁介质的制备需要微纳加工技术，另一方面理论模拟也因为金属在可见光波段的色散和吸收变得比较困难。本课题组把理论设计、材料制备、同实验测试结合起来，成功制备出可见光波段的人工电磁介质（如下面左图所示），并利用实验证实了其在700nm附近对光波的偏振状态的调控效率可以达到96%！（如下面右图所示），理论模拟和实验测试半定量符合。 2011年我们又利用各向异性的三层结构设计了对于同一频率范围内的两束正入射的偏振方向正交的电磁波都能完美透射的超薄特异介质。因不同偏振状态电磁波所对应不同的透射机理所致的透射相位的巨大差异，该体系可以有效地调控电磁波的偏振状态，比如偏振转换和偏振旋转。基于真实结构的微波实验结果和数值仿真结果的完美吻合验证了我们理论设计的有效性。 相关论文： 2005年，我们与香港科大同行合作利用理论、模拟结合实验证明了两个新的光子超常完美透射机理。我们发现，在一块介电常数为负数的材料两边各贴一层具有特定介电常数的板，或是在其表面刻出一些具有平面分形结构的孔，电磁波可以在特定频率完全通过此结构。 此二机理明显有别于已有的两个完美透射机理，比如这里透射频率并不依赖于入射角度（与表面等离子激发不同）及材料厚度（与法布里-帕罗机理不同）。另外对机理一，伴随完美透射，结构中产生超高交变磁场。这些发现有可能产生许多实际应用，比如，高频高磁场发生器，滤波器，亚波长波导，等等。 由于金属材料自然的高导电率性能，因此高透光率的复合金属材料在光电器件方面的研究，一直以来都引起了科学家们极大的关注。然而，常规金属（金，银，铜等）薄膜的导电率和透光率是相互制约的。之前，科学家们分别通过表面等离激元和法布里-泊罗共振的方法实现了金属薄膜的透明现象。但是，他们的方法有着非常明显的缺陷（对周期性敏感，不足够亚波长等）。2012年我们课题组提出通过散射相消的方法使得不透明的金属薄膜变的看起来几乎完全透明。我们的设计，是在保持最高导电率的前提下，对两种不同极化的入射电磁波的斜入射情况，以及样品的非周期性有很大的忍耐程度。通过人为的设计和制作样品，我们不仅在微波波段实现了数值模拟和实验测量的完美吻合，还在光波段数值验证了金属薄膜的透明行为。如果我们想把这种设计扩展到太赫兹或则光波段的话，显然，在实验上实现没有衬底的多层膜结构是非常困难的。随后，我们和丹麦技术大学展开合作，并在太赫兹波段通过有衬底的多层膜结构实现了类似的透明现象。 相关论文： 2003年我还在香港科大时，与香港科大同行合作提出了一个与传统布拉格机理不同的光子带隙产生机制。我们严格证明，当周期性结构中的平均折射系数为0时，体系中产生一个光子带隙，称为“零平均折射率带隙”。 显然，此类带隙只能在既有常规介质，又有负折射介质的复合体中实现。 我们证明此新型带隙具有许多与常规“布拉格”带隙不同的特性：1）其中心波长不依赖于光子晶体的周期长度；2）其存在并不依赖于严格的周期性，因而对杂质及无序等不敏感。我们利用“时域有限差分”方法设计了一个真实的结构成功实现了这种新型带隙，理论与模拟的结果吻合得非常好。 此新型带隙机制一经提出立刻引起了国际上的强烈关注。国际上很多研究小组立即深入研究了“零平均折射率带隙”的许多其他的奇特性质——如带隙的全方向反射特性，带隙中的孤子解，带隙对光波的整形，带隙中的二阶谐波，等等；同时人们在各向异性结构，准周期结构中也发现了类似的带隙。特别指出的是，浙江大学于2006年成功利用实验证实了我们的理论预言。 相关论文： 2002年我还在香港时，与香港科大同行合作发现在一类H形平面分形结构中存在多重“亚波长”光子带隙。这种极薄的平面结构通过一系列自相似共振和自相似散射,在极宽的频率范围内产生了对电磁波的多重带隙和通道，有选择地阻止或允许特定频率的电磁波通过。将两个这样的分形结构重叠，则会在很大的入射角区间显现出与波偏振方向无关的绝对带隙。尤为重要的是，这种分形结构即使在所有尺度上都远小于入射波波长，仍可保持以上特性。而当此结构后面贴一块相同大小的金属板时，整个结构具有多重的亚波长的“磁反射”（反射波与入射波同相位）行为。我们发现带隙的产生机理是局域共振。与传统布拉格机理相比，此机制有两个明显的优点：（1）不要求结构的周期性；（2）提供了器件亚波长运行的可能性，即样品的空间尺度可以比波长短但仍能起到波谱间隙材料的功能。与通常的光子晶体相比，这类结构在反射微波或远红外光方面显示出前者难以比拟的优越性。 相关论文： 2003年，我与香港科大同行合作发现对一类特定的各向异性电磁特异介质，当电磁波以某一特定角度由空气入射到其表面时，电磁波完全不被反射。导致此透明的机理完全不同于传统的“布鲁斯特角”现象，而是由负折射介质的各向异性及色散特性决定的，后来有文献称之为反常（反转）的布鲁斯特角现象。我们利用仿真模拟设计了一个真实结构证明了此奇异现象。另外，我们发现负折射并不要求全部的材料参数均为负。 相关论文： 英国物理学家J. Pendry预言平板负折射棱镜（由前苏联物理学家V. G. Veselago首先提出）是个“理想棱镜”。当材料参数略微偏差理想值-1，理论预言此棱镜为“超棱镜”——分辨率可超过衍射极限值。然而模拟发现“理想棱镜”所成的像一直随时间剧烈振荡，只能采取引入吸收来抑制这种振荡，但代价是成像不再“完美”。为什么如此美妙的理论预言（完美成像）不能被模拟所证实？如何消除振荡在最短时间内达到稳定像？这些问题极大地困扰了科学家们。 我们与香港科大陈子亭合作于2005年解决了这些困惑。我们发现，在平板超棱镜体系中必然存在一个群速度为0的表面波蜗旋态，在波源的开关过程中被作为瞬态波激发出来。因为它不能传播能量，一旦它被激发起来，在无吸收体系中永远不能消失。此瞬态波与工作频率之间的干涉效应就是形成像振荡的根源。我们发展了一套严格的时域并矢格林函数方法用来系统地处理此类问题。我们进一步深入分析了像振荡现象与各种因素之间的关系，并且预言了一类新的像振荡机理。最近，我们提出可以利用改变源的开关时间的方法来有效调制像的振荡。计算显示，当开关时间选择合适的时候，我们可以在不牺牲像质量的前提下最快地达到稳定状态。 相关论文： 传统的定向辐射是通过电磁波共振腔实现的。然而这种机理要求腔厚不小于波长的一半，因此在应用到低频情况时使得腔体积过大，从而对现代信息传播所要求的“集约化”不利。2005年，我们与同济大学、香港科技大学合作，利用理论、模拟结合实验证明了一个基于电磁特异介质的电磁波定向辐射的新机理。我们利用电磁特异介质的奇异反射相位，建造一个厚度不受半波限制的共振腔，以实现电磁波定向辐射。未优化的辐射图案定向性指标达到129。新机理的特点是打破了旧机理对样品尺寸的严格限制，这显然将大大有利于信息传播的集约化。 相关论文： 表面等离激元近来引起了相当多的关注。天然材料的等离激元共振频率ωp由其固有的电子密度决定，因而应用受到严重局限。2004年，Pendry等人证明，带有周期性方孔结构的金属板，从表面等离激元性质方面分析，具有一个大小由结构参数决定的等效ωp，故可摹拟天然等离激元介质。不过，要使这个想法成立，须用高折射率材料填充方孔，这在实际操作起来，尤其对更高的频段来说，并不容易实现。现在，我们证实了呈现在刻有分形状细缝（如下面左图所示）的金属板上的表面等离激元，具有一个由分形几何结构决定的ωp。无需高折射率材料的嵌入，整个体系就可被均匀化为一块同时支持横磁和横电模式表面等离激元共振的等离激元特异介质。 我们的这种等离激元特异介质，有许多有趣的应用。特别是它可以像一个拥有全方向亚波长分辨率的超棱镜一样会聚从光源发出的光。微波实验和时域有限差分模拟都成功地验证了微波段的超成像效应（如下面右图所示）。 为了增强广与物质相互作用，慢光是个很好的解决方案，人们已经找到了一些结构来实现慢光，比如：光子晶体波导，F-P共振腔，EIT，可是这些共振腔都是依靠体效应来实现减慢光的群速度。而我们的问题就是能否利用界面效应来减慢光的群速度而非体效应。在微波实验中我们使用了下面左图中电磁特异表面，可以打开一个慢光窗口。甚至当特异表面厚度趋向于很薄时，慢光效应更加显著。通过仔细研究后发祥我们慢光的机理是表面的等离子体形成了一个平面的腔，而特异表面的厚度决定了腔和外场的耦合强度，厚度越薄耦合越弱，这样漫光效应就越显著。并且在此基础上，我们验证了慢光特异表面对于吸收以及三阶非线性的增强效果。
相关论文： 非线性光学在上世纪60年代随着激光的发现蓬勃发展起来。然而常规材料中非线性响应一般比较弱，这在某种程度上制约了非线性光学的应用。利用特异介质中的电磁共振，人们期待局域场可以被极大增强从而导致材料的整体非线性响应的赠强。然而之前大部分的研究都是理论计算，实验测量比较少。仅有的几个实验也缺乏令人信服的理论解释。 相关论文： 对于由人工电磁共振微结构构成的电磁特异介质，我们用等效模型理论，可以解释这些材料具有的部分性质和现象。然而，近年来国际上对电磁共振体之间的耦合问题产生了极大的兴趣，而这部分物理现象是无法用等效模型来解释的。之前对这类问题国际上缺乏有效的理论方法，只能通过全数值模拟的方法来重复实验，但这种方法对我们理解耦合现象背后的物理帮助甚少。 然而当我们把针对弱色散体系发展的这套紧束缚理论方法直接应用到强色散光子体系（包括等离激元介质，电磁特异介质等）中时，发现理论结果与模拟以及实验的结果差别非常大。通过研究，我们发现这是由于强色散体系的哈密顿量自身是频率的函数，导致整个体系的求解不能转化为一个通常的本征值问题。通过引入两个辅助场，新定义波函数以及内积，强色散电磁体系的新的哈密顿量将不包含频率参数。有了新的哈密顿量，我们应用紧束缚理论，对强色散体系进行了计算。计算表明强色散体系耦合理论的预期结果与数值计算的结果完美吻合（如下图所示）。研究成果发表在Phys. Rev. B 83, 165115 (2011). 相信这套方法会对国际上深入理解电磁耦合现象背后的物理提供有利的理论工具。 相关论文： 11.发现利用梯度特异介质表面可实现电磁波传播及表面束缚模式的完美转换 自由的调控电磁波一直是光子研究领域的一个主要研究目标。利用电磁特异介质和变换光学理论，独立地自由调控传播电磁波和表面电磁波已经可以实现。但是人们还没能找到一条连接这两种不同传播模式电磁波的桥梁。2011年，我们研究发现利用具有梯度性质电磁参数的特异介质表面可实现电磁波传播波和表面束缚模式（表面波）的完美转换。不同于如光栅，棱镜等传统的传播波-表面波耦合装置，我们利用梯度特异介质表面的反射相位分布来补偿传播波和表面波之间的动量不匹配，因此对于入射角大于临界角的入射传播波，我们都可以实现近乎完美的传播波-表面波转换。基于真实样品的微波实验结果，包括远场和近场测量，都与全波模拟的结果吻合得非常好。这一发现有可能产生许多实际应用，比如高效表面等离激元耦合器，无反射表面材料，吸波材料，等等。 近几年来，利用人工电磁特异介质实现平面波的会聚引起了广泛的关注，但是目前所提出的各种此类电磁器件基本上只是对透射波的调制。透射情况下，由于阻抗不匹配，在界面处会有反射带来的能量损失。因此，基于我们之前利用梯度材料实现反常反射的工作，我们设计了一种具有抛物线型反射位相的结构，来实现对电磁波的会聚效果。我们首先利用并矢格林函数的方法来寻找实现汇聚效果的条件，然后基于全波模拟设计出了实际样品。我们与东南大学的崔铁军老师合作，结合微波实验，全波模拟，以及理论计算，成功地证明了我们的设计的可行性。同时我们的样品对于斜入射的电磁波也同样有会聚效果。与具有类似功能的其他透镜相比，我们的样品厚度远远小于工作波长，同时100%的利用了入射能量。 光在两种媒质界面会发生折射现象，满足斯涅耳定律。2011年， 哈佛大学Capasso教授的团队在Science上提出，当界面处存在可对入射光相位进行线性调控的特异介质表面时，斯涅耳定律将被改写，该概念在红外波段实验验证。2012年，普渡大学Shalaev教授的团队证明该系统具有宽带特性。但是，在其透射式特异介质表面系统中，入射光会被转化为正常/异常，透射/散射共四只传输波模式，由于模式多样，异常散射模式的转换效率偏低，并且异常散射模式的偏振和入射光不同。这些问题都是特异介质表面应用的不利因素，而实现高效率高频段的特异介质表面便成为一个重要的研究课题。我们最近和台湾大学同行合作，设计并实验制备出目前国际上工作波长最短（750nm-900nm）的宽带特异介质表面，该结构是将我们先前提出的反射式特异表面系统推至光波段，在有能量损耗的情况下（约15％），异常反射模式的转换效率仍高达约80％。相较而言，我们的特异介质表面具有设计简单，单模耦合，完美转换，偏振守恒等优点，我们的系统在光吸收,表面等离子体耦合器，抗反射涂装，偏振光分光器/频谱光分光器等方面均具有广泛的应用前景。 相关论文： （二）磁性研究 磁（电）流变液是指磁性（介电）颗粒与液体组成的悬浮液。在外磁（电）场的作用下，体系由液态转变成固态。1997年之前，国际上关于磁流变液的基态有激烈争论及疑问：1）为什么磁流变液有成柱现象（而且是椭球状柱子）而电流变液却没有；2）对磁流变液基态的柱子的直径与长度的级数依赖关系的指数大家也有不同的实验结果；3）柱子内部的微观结构是什么。1998年，我与香港科大温维佳（负责实验测量），沈平合作，结合理论和实验建立了一个统一的图像平息了这场争论。 我们发现：1）退磁场是导致磁流变液成椭球状柱子的主要原因；2）前人实验发现的两个指数都是正确的，但分别适用于饱和磁矩与不饱和磁矩两种条件下；3）磁性颗粒在柱子内部以BCT结构存在。我们的理论和自己的实验结果吻合地很好，同时又合理解释了前人实验的矛盾结果，为磁流变液的基态提供了一个完整的图像。 相关论文： 在计算过渡金属体系的磁性质时，传统的理论总是假设“轨道极化”完全被晶体场冻结，并因此取得了巨大的成功。然而，在计算磁晶各向异性时，这类方法却遇到了困难——计算甚至不能给出磁晶各向异性的正确的符号！ 我与中科院物理所王鼎盛教授合作利用紧束缚模型研究了这个问题。我们发现被通常理论忽略的“轨道关联”对磁晶各向异性，特别是在低维体系中，有着至关重要的影响。这个工作为将来理论上成功处理低维体系的磁晶各向异性提供了一个可能的努力方向。在此工作基础上，南京大学万贤刚与王鼎盛等合作研究了磁性纳米团簇的磁性质。研究发现正确考虑了“轨道关联”的计算给出的“磁矩-团簇大小”关系与实验定量吻合！与此对应，仅仅考虑“自旋关联”的理论计算与实验相差甚远。这充分证明了“轨道关联”对低维磁性体系的重要影响。 相关论文： |
