人类的发展历史中很重要的一部分就是对信息传递、处理手段的发展。古时候的人们只能用信鸽、烽火等原始手段传递信息,效率低下且信息简单。而随着近代电磁波的发现,人类开始通过无线电来传递信息,效率大大提高。随着上个世纪量子理论的提出,直接催生了电子工业,为当今信息技术的飞速发展打下坚实的基础。大家知道信息的传递和处理是物理过程,其载体主要为电子和光子。第一台电子计算机的问世,是以电子为主要载体的一次信息处理手段的飞跃。电子集成技术自此快速发展并直接让我们人类进入信息化时代,个人电脑、手机等各种电子产品的普及也为互联网、人工智能等新兴产业提供了发展的基石。未来的信息技术发展离不开处理传输速度更快、信道更宽、理念更为先进的新一代集成芯片,而光子作为目前物理学理论框架下传输速度最快的信息载体,深刻挖掘其在光子集成方面的潜力具有重要应用价值的。根据波粒二象性的理论,我们知道电子的波长远小于可见光波长,因此集成光子相较于电子就会困难很多,这也导致光子集成技术落后,所以急需物理原理上提供一些新设计。首先考虑光的波动性这一基本特征。由于光具有波动性,所以我们可以直接使用惠更斯原理来描述光的波前,从而描述其在空间中的传播行为。如果此时我们有能力加工一些特殊的微纳结构,使其能够在小尺度下调控光的波前,那么这种方法就能用来调控光子的运动以及光场的能量分布,从而实现光子集成技术来制造集成器件。而此前科学家们就提出了利用光子晶体、超构材料等微纳结构,进行不同结构体系的构建来实现光子芯片的集成。另一方面,随着近几十年来微加工技术的飞速发展,各种各样的微加工手段不断的被提出与改进,让我们有能力加工出足够小的微纳结构从而对太赫兹到光频段进行调控。在我的工作中,我主要使用了金属/介质/金属及与其类似的结构作为调控光场的结构单元。由于两层金属的存在,这种结构很容易在金属之间产生耦合,甚至形成局域磁等离激元共振,给我们在小尺度内调控光场提供了一个非常有效的手段。基于这样的结构,我在博士期间进行了一些研究,并且实现了一些物理上的应用:1、利用二维金属/介质/金属结构超构表面调控自旋偏振光的几何相位实现等离激元自旋霍尔效应与光场聚焦,并在近红外1064纳米波段实现表面等离激元全息成像。这种成像方法不但可以灵活的实现各种全息图像,而且能通过两个自旋光激发的等离激元之间的干涉,对全息图象进行动态的调控。此外,这种方法可以拓展至各种波段,在未来动态相干成像方面有许多潜在的应用。2、基于利用金属/介质/金属结构纳米孔一维超构材料的光自旋霍尔效应实现的等离激元波束的调控。通过调节金属纳米孔结构的几何相位,模拟弯曲时空中带电粒子的加速运动与轫致辐射。并进一步通过广义相对论的广义协变变换原理,设计了一系列具有可以产生相同等离激元波束的一维超构材料,然后我们进一步可以将这种变换的实质理解为不同惯性参考系对同一个运动的描述。在这种表述下,我们通过近似条件可以将其扩展到加速坐标系中,类比惯性坐标系到Rindler坐标系的变换,并在实验上产生了 Rindler波束。3、利用金属/介质/金属超构表面调控热辐射。通过设计金属周期结构,对金属/介质/金属波导模式进行周期调制,从而实现光子晶体。在实验中,利用这种超构表面光子晶体的能带色散我们可以对热辐射的偏振、强度、角度、频率等进行灵活调控。我会在文章最后总结一下博士期间的工作。鉴于作者自身储备知识的局限性,论文难免有疏漏之处,敬请谅解与指正。