由亚波长周期阵列构成的人工超材料(metamaterials)以其独特的电磁特性,在光学通信、生物传感、滤波调制等领域显示出巨大的应用前景。超材料的结构设计和耦合方式不仅可以实现对电磁波的振幅、相位、偏振以及传播等灵活多样的控制,还可以大幅度地提高相应功能器件的响应性能和品质因数。此外,亚波长尺寸的单元结构还为研究经典系统中的类量子现象提供了崭新的模拟平台,因此电磁特性可调的超材料一直是超材料研究的热点之一。由于入射角度依赖的研究起步较晚,超材料中许多光学响应的研究都是在泵浦光正入射的情况下进行的,因此超材料在泵浦光斜入射下产生的电磁现象的物理机理并不完全明确。入射角度的改变打破了入射电磁场的对称性,从而在超材料中可以诱导更多的线性和非线性的响应。通过数值仿真软件,在理论上构建超材料结构。通过改变单元结构的周期尺寸、堆叠方式、内在手性和空间互补性来研究超材料在不同波段的共振响应。通过微纳加工技术制作超材料,并将从太赫兹波发射光谱系统和时域光谱系统测得的数据与理论模拟结果相比较。基于此,本文研究了超材料在不同入射角度下的电磁特异性响应,其中包括类电磁诱导透明、类拉比分裂,非对称透射、圆二向色性和椭圆偏振太赫兹波辐射。此外,通过理论设计及参数优化,每章工作都进一步地提高了相应功能器件的响应效率和性能参数。具体内容和创新点如下:(1)对称型超材料在斜入射下类电磁诱导透明现象的研究。在泵浦光正入射下该超材料只存在宽带带阻,而在泵浦光斜入射下该超材料能诱导出异常透射峰。根据电磁场和表面电流的分布,泵浦光在斜入射下打破了入射电磁场的对称性,从而在金属超材料表面产生了非对称的表面电流。通过改变超材料的几何参数和泵浦光的入射角度,证明了表面等离子体模式对类电磁诱导透明现象的贡献。此外,随着周围环境折射率的增加,泵浦光斜入射下异常透射峰发生了偏移,而异常透射峰的品质因数相比正入射下的品质因数提高了30倍。该研究成果对于发展入射角度依赖的超材料传感器件和提高超材料器件的品质因数具有一定的参考意义。相关的研究结果已在EurophysicsLetters期刊上发表。(2)互补型超材料在类拉比分裂现象的研究。通过改变入射角度,互补型超材料中的表面等离子体模式与局域波导模式之间实现了强耦合相互作用。当入射角度达到64°时,该超材料会出现能量约为49meV的分裂现象。根据磁场z分量和表面电流的分布,电磁场之间的动量补偿导致了两种模式之间的能量交换,这最终实现了类拉比分裂现象。此外,改变入射角度还可以控制模式之间的耦合强度,并使得分裂峰产生明显的相位移动。该结构中分裂峰的群速度延迟随入射角的增加而单调下降,并在30°入射时达到最大值0.72ps。该强耦合分裂峰所导致的群速度延迟有助于慢光器件在太赫兹波段的进一步发展。相关研究成果已在JournalofPhysics:CondensedMatter期刊上发表。(3)手性超材料在斜入射下圆二向色性及非对称透射现象的研究。在泵浦光正入射下,该手性超材料实现了非对称透射现象,这是由相互垂直的磁偶极子和电偶极子相互作用诱导产生的。通过引入互补型手性超材料,其非对称透射强度比原超材料的非对称透射强度提高了一个数量级。通过改变入射角度,诱导的电偶极子与磁偶极子之间存在了共面分量,从而在手性超材料中实现了圆二向色性现象。随着入射角度的增加,从原超材料中提取的手性参数的绝对值从345增加到363,比之前文献报道中的数值高出一百倍。此外,该手性超材料对入射角度和环境折射率的变化都非常敏感,这对于实现太赫兹波段的手性传感器件具有重要的参考价值。该部分内容已作为“Frontcover”发表在AnnalenderPhysik期刊上。(4)手性超材料的椭圆偏振太赫兹波辐射特性的研究。通过透射型太赫兹波发射系统研究了手性超材料中的椭圆偏振太赫兹波的辐射特性,并在圆偏振光斜入射下同时观察到面内和面外光电流的贡献。其中,相反旋性的泵浦光激励将导致太赫兹波电场极性的反转,这是由具有不同自旋角动量的表面等离子体波在面内传播导致的。太赫兹波的振幅对泵浦光通量的二阶强度依赖关系则证明了面外有质动力场的贡献。此外,太赫兹波辐射对于手性超材料的方位角非常敏感,这可以用于调节太赫兹波偏振态的椭圆率。无论在左旋圆偏振光还是右旋圆偏振光激发下,产生的太赫兹波的偏振态都是右旋,这意味着手性超材料对于高效的椭圆偏振太赫兹波发射器件的结构选择性。相关研究成果正在整理投稿中。