中文摘要：

金属微纳结构可以获得太赫兹以上的磁响应，从而实现自然材料所不存在的众多新颖电磁性质，是当前特异介质研究的主要领域之一。其中，研究磁特异介质中各局域共振单元之间的耦合效应，把磁特异介质结合到纳米等离激元光子学领域是一个具有丰富内涵的探索方向。本项目研究的金属双环特异介质具有反键态的磁响应，是单元内杂化的特殊磁共振模式。我们将研究密排列的双环特异介质中由于单元之间强烈耦合而产生的等离杂化效应以及磁等离极化激元。作为一个有潜在应用的磁等离极化激元波导，我们将针对由双环特异介质构成的一维链结构，通过理论、数值分析以及相应的实验手段，研究将入射电磁波有效转化/耦合为该结构中磁等离极化激元的激发方式，并分析其亚波长波导特性。此外，为弥补金属微纳结构特异介质中的共振损耗，我们还将基于受激辐射的表面等离体放大机制，研究双环结构中增益辅助的磁等离极化激元的受激辐射放大特性与长程亚波长波导特性。

结论摘要：

金属微纳结构可以获得太赫兹以上的磁响应，从而实现自然材料所不存在的众多新颖电磁性质，是当前特异介质研究的主要领域之一。其中，研究磁响应特异介质中各局域共振单元之间的磁等离激元耦合、传输效应，将其结合到纳米等离激元光子学领域是本项目的研究方向。我们主要研究了金属双环特异介质具有反键态特征的磁响应模式。就其中的磁等离激元长程亚波长传输、受激辐射放大及激射、等离激元诱导透明效应及传感特性、分别在一维波导链、二维平面结构、三维体结构等情况下做了全面的理论、数值计算以及实验工作。针对磁等离激元在一维波导链中的传输，我们在金属双环结构（微波段）以及金属孔洞结构上开展了一系列的实验工作，观察到了磁等离激元由于单元间强烈地杂化耦合效应而产生的色散关系、激发条件、长程亚波长传输特征等。针对金属微纳结构光学特异介质中的欧姆损耗，我们根据受激辐射的等离激元放大机制，研究了增益材料对三维体特异结构中损耗的补偿作用、在二维特异平面中该机制作用下的激射特性、以及基于磁等离激元共振的增强传感特性。针对等离激元诱导透明的现象，我们首次证明了共振模式的干涉耦合不是通过文献报道的近场等离激元的模式转换来完成的，而是由于共振结构的不对称性造成的。基于这一结构不对称的激发规律，我们设计了不对称双棒、不对称U结构等特异介质，研究了其中的磁等离激元共振模式相关的诱导透明现象。作为本项目研究计划的一个重要延伸，我们研究了磁等离激元共振的一个新型模式，即磁涡旋共振（toroidal dipolar resonance）。这种共振模式可以由与电偶极矩及磁偶极矩相对应的第三类多极矩——涡旋极矩来描述，具有重要的物理意义以及丰富的光学特性。我们原创的设计了基于单一共振腔体的磁涡旋共振结构，证实了其散射强度由涡旋极矩起主导作用，分析了其中的Purcell因子，模体积等激光腔特征，并开创性的发现了动态涡旋极矩具有全电磁波诱导的、呈整流特征的霍尔效应。另外，在项目的支持下，我们针对石墨烯材料中的等离激元传输特性也做出了一定的研究成果。总之，在金属微纳结构的磁等离激元共振及其相关特性的研究中，我们不但研究了项目计划的内容，还根据国际国内的进展开展了一些工作，个别研究成果在国际领域具有一定的开拓性，体现了较高的科学意义。