近若干年来，经典波在人工微结构材料【包括光子晶体、穿孔金属膜、介电材料、超材料、超表面等】中的传播和相互作用已获得了广泛的研究兴趣。通过研究，人们可开发出自然界本不存在的新的材料，揭示出新的物理效应，并构造新的物理器件。正所谓”新材料、新效应、新器件”，材料是基础，效应和器件是上层建筑。

人工微结构材料是超越原子分子尺度的、结构有序的、具有新颖物理效应的新材料。1987 年，Yab 提出光子晶体概念，一种介电常数或折射率周期调制的微结构[1]。由于周期结构的布拉格衍射，光子带隙得以产生，一定频率范围光的传播被禁止。类似的物理效应在声子晶体#8212;#8212;弹性模量或密度周期调制的结构#8212;#8212;中也得以发现。此外，上个世纪 80 年代以来，具有一维畴结构的铁电材料被广泛用于准相位匹配工作（参见南京大学祝世宁教授的工作）[2]。在这种人工材料里，二阶非线性光学系数被空间调制，用于非线性频率转换。1998 年，Berger 将此效应推广到二维系统并提出非线性光子晶体概念[3]。近 20 年来，微结构的等离激元材料逐渐成为人们的新宠。Pendry等提出利用金属纳米线、金属开口环等作为基元，人们可构造出负介电常数、负磁导率及负折射率材料[4]。这些三维周期性的、周期为亚波长尺度的（dlt;λ）、具有特异光学性能（如负折射、完美成像等）的等效媒质被称作超构材料或超材料（metamaterials）。[注：广义而言，光子晶体（d~λ）也往往被视作为超材料]。类似的，人们还陆续开发出近零折射率材料、高折射率材料、双曲线色散材料及梯度折射率的隐身材料等[5-7]。然而，三维的超构材料在拥有异常特性的同时，也具有结构复杂、难以制备及损耗大的缺点（特别是在光频段）。这一特点限制了它的进一步开发、研究和应用。

在此情况下，准二维或平面超薄的人工等离激元材料吸引了人们极大的关注[8, 9]。这是一种由金属块、纳米天线或小孔等结构单元（或”人工原子”）构成的、空间有序的、周期为亚波长（dlt;λ）的准二维人工材料。[传统的衍射光学运用微结构的介电光学元件如光栅来控制光的传播，其中光栅的周期大于光的波长（dgt;λ）。此外，频率选择表面常利用二维金属片阵列或开孔金属屏进行滤波，其周期与波长大致相当（d~λ）]。令人惊奇的是，除了结构简单、容易制备、光学损耗较小以外，亚波长的准二维结构还具有非常奇特的光学性能。比如，由于表面等离极化激元（SPP）的激发，亚波长的穿孔金属薄膜具有增强透射效应和光束准直效应[10]；理想的金属表面，如果刻有深度亚波长的小孔或凹槽阵列，可支持伪表面等离极化激元[11];由”三明治”金属/介电/金属单元可构建高阻抗表面，以此可实现反射波的相位调控或研制亚波长谐振腔[12]。近来，梯度的亚波长准二维结构，或称为梯度超表面（metasurfaces），得到了人们的重视。2011 年，哈佛大学的 Yu 等利用 V 型纳米天线实现局域辐射场的相位突变，并利用渐变结构导致的沿着表面的相位梯度，提出并证实了广义的反射和折射定律[13]。随后，复旦大学的周磊教授课题组设计了反射型梯度超表面，在光频段实现了异常的光反射，并在微波段实现了高效的传播波和表面波的转换[14,15]。此外，梯度超表面还在研究超薄平面透镜、光子自旋霍尔效应等方面发挥重要的作用[16,17]。广义来讲，各种亚波长的准二维人工材料结构（金属、介电或其它材料）均可纳入超表面的研究范畴。

偏振是光的一个重要物理特性，偏振调控也代表了人们对光的操控能力。利用超材料，人们可研制新型的偏振器和波片，以实现光的偏振的产生和转换[18]。相对于传统的晶体波片和超材料波片，超表面在偏振调控上具有更大的优势（如超薄、宽带或低损耗）。其物理机制主要源于所设计结构的表面各向异性，不同偏振在反射或透射时将携带不同的相位信息。比如，利用金属衬底上的二维纳米棒阵列，宽带的反射型波片能够被研制成功（参见 2013 年以来美国 LosAlamo 国家实验室 H.T.Chen 等人的工作）[19]。利用多层不同的超表面所构成的复合结构（该系统在结构和光学性质上既不同于单层的准二维超表面又不同于多层周期的三维超材料，可称为耦合超表面）可设计透射型的偏振转换器[20]。2015 年，南京大学王牧/彭茹雯教授课题组利用三层的超表面在太赫兹波段实现了宽带、透射型、可调谐的偏振旋转[21]。最近，我们利用两个正交的等离激元偏振片在光频和微波段实现了同步的增强透射和 90 度偏振转换[22]。此外，单层各向异性的亚波长开孔金属薄膜或金属贴片阵列也被用于透射型的线偏振与椭圆偏振的转化、交叉极化的产生或 90 度偏振转换（参见南京大学祝世宁教授、法国 F.I.Baida 及南开大学田建国教授等课题组的工作）[23-25]。

毫无疑问，基于多层超表面的偏振光学元件在未来更有发展前途，尤其是在光频段。相对于反射型结构，透射型配置易将光源和探测器分离，为研究和应用提供便利。此外，相对于二维金属纳米粒子，亚波长开孔的金属薄膜在光频段更易于利用 FIB 微加工。然而，一个显著的事实是，由于较小的开口尺寸和导模的色散效应，基于亚波长开孔薄膜的偏振转换器往往具有较低的转换效率或较窄的工作带宽[23, 24]。

基于上述考虑，本项目一方面拟将研究重点放在多层、亚波长的、各向异性的开孔薄膜上，理论和实验研究其透射型偏振旋转效应。

参考文献：

[1] Tonouchi M 2007 Nat. Photon. 1 97

[2] Leitenstorfer A, Hunsche S, Shah J, Nuss M C, Knox W

H 1999 Appl. Phys. Lett. 74 1516