中文摘要：

本项目是结合光学、材料、化学及计算电磁学等学科的交叉性课题，拟解决传统光学材料碰到的基本科学问题，发展高集成光电器件系统。本项目将研究针对高色散特性半导体量子点的电磁仿真技术，构造基于量子点增益补偿金属损耗构想的光频段新型人工超介质材料，并实现其在超小型超快光电器件中的应用。针对因传统光学媒质的正介电常数和金属的损耗等因素无法构造超小型光学结构的不足，利用现有的金属壳量子点纳米颗粒制备和材料组合技术，构造具有负介电常数和零损耗的超介质人工材料。提供新型光学材料的各组分材料类型、结构及尺寸与材料性能间关系的最直接数据，揭示新型材料的电磁、色散及非线性光学特性，发展适用于该类材料的高精度电磁仿真算法，实现对新型材料和光电器件的性能验证和辅助设计。拟设计2～3套高性能新型光学材料的参数方案和电磁仿真算法，实现在2种以上超小型超快光电器件中的应用，为开发新型光学材料和器件提供理论和设计指导。

结论摘要：

传统金属材料在光频段具有很大的损耗，极大地限制了金属作为一种材料在光学元件设计中的应用。开发具有零损耗或较低损耗的介电常数为负数的新型光学材料对于设计超小型光学器件具有重要意义。利用半导体量子点光增益来补偿金属材料损耗可以获取具有零损耗负介电常数的复合纳米颗粒，并将其填充到具有正介电常数的无耗基体材料中，从而可开发出损耗小负介电常数的新型光学材料并用来设计新型光学器件。在该项目研究中，我们建立了以金属为外壳、以单层或多层半导体量子点为内核的复合纳米颗粒的静态等效介电常数模型和计算方法，利用时域有限差分(FDTD)方法开展了在不同偏振态平行光下入射下复合纳米颗粒的近场电极化特性，完成了基于复合纳米颗粒的新型人工光学材料的合成理论和参数设计研究，开发了适合于仿真高色散新型人工光学材料的高精度电磁仿真算法，提出了针对半导体量子点纳米材料电磁特性模拟仿真的数值色散问题全波补偿方案，最后探索了新型光学材料在新型超小型光电器件上的应用，并初步设计了介质-金属-介质的超小型波导。该类新型光学复合材料开发不仅可以丰富现有特殊光学材料库，也为设计新型超小尺寸结构光电器件或具有特殊电磁参量的超介质材料提供了可能，在集成光学器件和超介质材料领域中具有重要的应用前景。同时本项目开发的针对该类人工光学材料的电磁学仿真技术及高精度算法, 对于实现新型人工光学材料和器件的计算机辅助设计，促进了计算电磁学在该研究领域的应用和发展。在该项目经费资助下共发表学术论文12篇，其中SCI收录8篇，获授权国家发明专利3件。