光物理专题 人工光学微结构研究进展 2019-03-02收到 李占成程化陈树琪 DoL:10.7693/wl20190603 (南开大学物理科学学院天津300071) Artificial optical nanostructures LI Zhan-Cheng CHENG Hua CHEN Shu-Qi (School of physics, Nankai Uiversity. Tianjin 300071. China) 摘要受益于新世纪以来微纳加工技术的快速发展,人工光学微结构的相关研究 近二十年里取得了长足进步。人工光学微结构集合了光学介观体系丰富的物理机理、有 力的光参量调控手段,为实现对光与物质相互作用的有效操控提供了一种全新的方式,为 光学器件的小型化、集成化和轻质化提供了新的途径。文章将对人工光学微结构这些年的 发展进行概述,并展示该研究领域的最新研究进展 关键词超材料,超表面,光场调控,集成光子学器件 Abstract Benefiting from the rapid development of nano-fabrication technology in the new century, great progress has been made in the research of artificial optical nanostructures These nanostructures, assembled with plentiful physical mechanisms and capabilities for optical wave manipulation, provide a new means for the effective manipulation of light-matter interac- ion, and a new approach for the integration, miniaturization and weight reduction of optical de- vices. Here we summarize the progress in research on artificial optical nanostructures over the ast twenty years. Keywords metamaterials, metasurfaces, optical wave manipulation, integrated photonic 1引言 的材料并不具备相应的光学性质,因此这些新奇 的光学现象在自然界中并不能被观察到。新世纪 光学现象的产生和光学功能的实现都源于光以来,获取具有全新光学性质的新材料成为了近 与物质的相互作用。实现对光与物质相互作用的代光学研究的重要方向。一方面,人们通过化学 有效控制,进而获得所需的各类光学功能器件是合成的方式获取具有全新光学性质的新材料,如 光学研究领域的重要研究内容。从400多年前望聚四氟乙烯。另一方面,人们通过对人工微结构 远镜的发明开始,无数设计精妙的光学器件被不介电常数和磁导率的人为设计来操控其光学性 断地提出用以实现特定的光学功能或产生独特的质,获得所需的光学响应。相比于化学合成的 光学现象。随着光与物质相互作用相关理论研究方法,人工光学微结构在设计上具有更高的自 的不断深入,研究者们逐步发现了一系列自然界由度和操控性,近年来成为了光学领域的研究 中并不存在的新奇光学现象。这些现象的产生并热点。 不违背光学的基本定律,但是由于自然界中存在· 48卷 (2019 年) 4 期 2019－03－02收到 † email：schen@nankai.edu.cn DOI：10.7693/wl20190603 人工光学微结构研究进展 李占成 程 化 陈树琪† (南开大学物理科学学院 天津 300071) Artificial optical nanostructures LI Zhan-Cheng CHENG Hua CHEN Shu-Qi† (School of physics，Nankai Uiversity，Tianjin 300071，China) 摘 要 受益于新世纪以来微纳加工技术的快速发展，人工光学微结构的相关研究 在近二十年里取得了长足进步。人工光学微结构集合了光学介观体系丰富的物理机理、有 力的光参量调控手段，为实现对光与物质相互作用的有效操控提供了一种全新的方式，为 光学器件的小型化、集成化和轻质化提供了新的途径。文章将对人工光学微结构这些年的 发展进行概述，并展示该研究领域的最新研究进展。 关键词 超材料，超表面，光场调控，集成光子学器件 Abstract Benefiting from the rapid development of nano-fabrication technology in the new century, great progress has been made in the research of artificial optical nanostructures. These nanostructures, assembled with plentiful physical mechanisms and capabilities for optical wave manipulation, provide a new means for the effective manipulation of light-matter interac￾tion, and a new approach for the integration, miniaturization and weight reduction of optical de￾vices. Here we summarize the progress in research on artificial optical nanostructures over the last twenty years. Keywords metamaterials, metasurfaces, optical wave manipulation, integrated photonic devices 光物理专题 1 引言 光学现象的产生和光学功能的实现都源于光 与物质的相互作用。实现对光与物质相互作用的 有效控制，进而获得所需的各类光学功能器件是 光学研究领域的重要研究内容。从400多年前望 远镜的发明开始，无数设计精妙的光学器件被不 断地提出用以实现特定的光学功能或产生独特的 光学现象。随着光与物质相互作用相关理论研究 的不断深入，研究者们逐步发现了一系列自然界 中并不存在的新奇光学现象。这些现象的产生并 不违背光学的基本定律，但是由于自然界中存在 的材料并不具备相应的光学性质，因此这些新奇 的光学现象在自然界中并不能被观察到。新世纪 以来，获取具有全新光学性质的新材料成为了近 代光学研究的重要方向。一方面，人们通过化学 合成的方式获取具有全新光学性质的新材料，如 聚四氟乙烯。另一方面，人们通过对人工微结构 介电常数和磁导率的人为设计来操控其光学性 质，获得所需的光学响应。相比于化学合成的 方法，人工光学微结构在设计上具有更高的自 由度和操控性，近年来成为了光学领域的研究 热点。 · 221 ·