光学超材料的制备方法与参数提取

在光学超材料研究过程中,其微观结构的控制制备技术至关重要。综述了国内外在光学超材料制备方法方面的大致发展历程。重点介绍了二维光学超材料的制备技术,并分析对比了各种经典制备方法的优缺点。在二维光学超材料制备方法基础上,进一步叙述了三维光学超材料的传统制备和新的研究制备方法。简要介绍了均匀介质光学超材料的介电常数、磁导率、折射率和阻抗等有效电磁参数的提取过程。

光学超材料研究进展与发展趋势分析

介电常数与磁导率同时为负值的双负物质(电磁超材料中的一类)具有的特异物理性质,引起全球研究者的关注。因在其中电磁波传播特性与在常规介质中不同,使其在通讯、医药、军事、生物及成像等众多领域具有巨大的、潜在的应用。近年来,对超材料尤其是光频负折射材料(Negative Index Materials,NIMs)方面的研究进展突飞猛进。线性光学超材料的新结构、降噪、调谐,非线性光学超材料具有的新规律,光学超材料优化设计与制备工艺,光学超材料的潜在应用等研究进展在此予以综述,并对各研究分支可能的发展方向予以展望。

2020年光学超材料热点回眸

光学超材料一直是超材料学科中的重要组成部分之一,是超材料在信息科学领域中应用的重要体现。2020年,光学超材料领域的研究涌现出了一大批非常优秀的科技成果。围绕非线性光学超材料、人工智能超材料与光学超表面等方面回顾了光学超材料在2020年的研究热点。

基于零折射率介质的超窄带光学滤波器

本文提出一种基于零折射率介质的超窄带光学滤波器.在线缺陷光学滤波器中引入具有类狄拉克点的光学超构材料,利用其零折射效应来实现滤波带宽的压缩.基于COMSOL Multiphysics软件的传输特性分析表明,当超构材料的类狄拉克点频率与缺陷态的谐振频率相符合时,光学滤波器的透射峰能够显著压缩;光场分布及等效介质分析表明,零折射率介质的零相位延迟效应与强色散特性能够增强缺陷态透射电磁响应随频率变化的灵敏度,提高滤波器的品质因子,并能在压缩滤波带宽的同时保持高的峰值透射率,实现高耦合、超窄带的滤波设计.该结果为基于光学超构材料的波分复用系统设计与应用提供了新的技术思路.

非线性光学超构材料

在线性光学范畴下,光学超构材料等人工结构材料的出现与发展使得人们在控制光与物质的相互作用方面拥有更多自由度。例如,利用人工设计的功能单元可在亚波长尺度对光的振幅、相位和偏振进行灵活有效的调控,从而实现超透镜、负折射、隐身衣等新奇光学效应。通过调控超构材料中光的几何相位、局域电磁增强等物理机制,可实现光与物质相互作用的显著增强,为实现非线性微纳光学光源及其应用开启了新的大门。围绕近年来光学超构材料在光学频率转换、超快光开关与光调制、以及非线性相位调控等方面的研究进展进行了总结,并对非线性光学超构材料在未来应用中的前景和所面临的挑战进行了展望。

可调谐光学超构材料及其应用

光学超构材料是由亚波长功能单元组成的新型人工结构材料,拥有天然材料所不具备的新颖光学特性。利用光学超构材料可以灵活调控光波的传播特性,可实现负折射、隐身、单向传输等新奇的光学现象。传统的光学超构材料通常具有固定的几何结构和不变的材料特性,其光学性能难以改变,限制了光学超构材料器件的可调谐性。近年来,人们通过特殊材料或者结构来设计光学超构材料,实现了对光波的动态调控。本篇综述主要围绕活性材料(如变容二极管、液晶、相变材料、石墨烯等)和结构重构(微机电系统、柔性可拉伸材料等)这两种调控机制,介绍了可调谐光学超构材料领域的研究进展,分析了基于不同调控机制的可调谐光学超构材料的特点,阐述了可调谐光学超构材料在未来应用中所面临的挑战,并展望了可调谐光学超构材料的发展前景。

光学超构材料芯片上类比引力的研究进展

光学超构材料是一种人工设计的微结构材料,它的出现打破了传统材料设计思维的局域性,为在微纳尺度上人为调控电磁波提供了新的范式,实现了具有超越自然界常规材料的光学性质.尤其是超构材料具有将光和电磁辐射耦合到亚波长尺度的能力,满足了高速发展的现代科学技术对光学元器件的高性能、微型化以及集成化的新要求.因此,基于超构材料的光子芯片带来很多令人鼓舞的应用,如突破衍射极限的完美成像、多功能的集成光学器件等.更有意思的是,超构材料光子芯片还可以用来模拟一些广义相对论的现象,尤其是探索一些尚未被实验证实的与引力相关的现象.本文从不同类型的超构材料芯片出发,简要介绍了在光学超构材料芯片上开展的类比引力的研究,最后对其发展现状、优势与面临的挑战进行了相应的总结与展望.

智能超材料研究与进展

本文以智能超材料关键技术为主线,基础研究和新产品研发为辅,简要论述近年来智能超材料的发展现状和趋势。根据智能超材料所调控激元的不同,可分为智能电磁超材料,智能机械超材料,智能热学超材料,智能耦合超材料,此外两项关键技术为智能超材料新型设计与仿真技术和材料制备技术与材料基因工程。这些智能超材料在科学基础研究方面涉及超材料中多物理场耦合机制,新型人工原子与人工分子设计,超材料与自然材料的融合,超材料可调性探索和新型传感型超材料机制探求。基础研发和技术拓展将推进智能超材料施展到更加广泛的应用领域,如微型天线及无线互联,光电磁隐身,医学图像上用的完美成像,航空航天和交通车辆所用的智能蒙皮,精密仪器制程与片上实验室集成型超材料等。基于上述国内外智能超材料研究的发展趋势,本文进行了系统性的分类厘清,并分析了其研究现状,给出了我国智能超材料发展的美好愿景。

稀土掺杂光学超晶格的自变频激光模型与应用

通过结合准相位匹配理论和空间分布自混频（或自倍频）激光模型提出了稀土掺杂光学超晶格材料自变频激光理论模型。该模型计入了弱聚焦的高斯光束空间分布,泵浦耦合以及非理想周期结构的影响。并应用该理论模型对Nd3+离子掺杂非理想周期极化铌酸锂（Nd3+:APLN）晶体同步自变频多波长激光进行了模拟计算。计算结果,尤其是阈值、可见激光总输出功率和同步可见激光谱线相对强度分布等与实验结果符合得很好,从而表明该模型的有效性。

大尺寸掺镁化学计量比LiNbO3、LiTaO3光学超晶格材料和全固态白光激光器

本课题主要在我们已有的工作基础上，改进微结构材料的极化制备技术，研制大尺寸、高损伤阈值的掺镁化学计量比铌酸锂（MgSLN）和钽酸锂（MgSLT）光学超晶格材料，同时优化超晶格结构设计，研究多个非线性光学耦合过程的方案，研制出输出大功率全固态红、绿、蓝三基色激光器和准白光激光器，解决材料和器件产业化方面的关键技术，为最终实现产业化奠定基础。

人工智能超材料

人工智能的发展已经给人类社会的发展带来了极大变革,各种基于人工智能的新应用层出不穷。电磁和光学超材料对电磁波有强大的调控能力,且具有灵活的设计特性,尤其是可编程超材料的实时数字化调控能力,有利于基于人工智能技术的电磁超材料的设计和智能化应用。对超材料的智能化设计、智能化结构和智能化系统进行了阐述,对于人工智能技术与电磁和光学超材料的结合,总结介绍了结构优化、架构设计和系统应用的主要进展和成果,并展望了智能超材料的未来发展方向。

PPLN-OPO非线性变频特性的研究

根据准相位匹配和光参量振荡原理 ,分析了光学超晶格材料PPLN实现参量过程时极化周期、匹配温度和调谐波长之间的关系 ,提出了同时使用周期调谐和温度调谐实现大范围波长调谐的调谐方法 ,并对PPLN -OPO在不同泵浦波段的周期调谐特性和温度调谐特性进行了研究 .

光学复合体系中有效介质理论的适用条件

以纳米晶掺杂复合体系为例,研究该类多组分光学材料的有效介电系数随复合体系结构和组分介电系数的变化,进而分析有效介质理论的适用条件。假定纳米晶被周期性掺杂到背景晶体中,且均为各向同性材料。借助转移矩阵理论研究发现,当纳米晶和背景晶体的介电系数相差较大时,有效介电系数会表现出波长依赖性。此外,发现复合体系在其光学能隙处没有有效介电系数,说明此时基于等效介质思想的有效介质理论均不适合描述复合体系的光学性质,这是因为在物理上均一的光学材料无法形成光学能隙。