基于人工表面等离激元的太赫兹磁偶极辐射调控研究

The advanced terahertz light source plays an important role in the development and application of terahertz science and technology. The effective control of terahertz electromagnetic emission by optical microcavities is one of the key technologies to develop high efficiency terahertz light source. However, previous works mainly focused on the regulation of electric dipole emission due to the lack of magnetic quantum emitter and the limitation of magnetic resonant structures, research on the modulation of terahertz magnetic dipole emission has not been widely carried out, this project will study the regulation of magnetic dipole emission based on spoof surface plasmonic structures. Firstly, we investigate the magnetic responses of spoof surface plasmonic structures by designing the deep-subwavelength structures with various structural characters. We also discuss the influences of configurations and parameters of the designed structures on the mode distributions and quality factors of magnetic resonances. Based on these discussions, new-fashioned strong magnetic resonant structures with subwavelength scale will be searched for practical applications. Furthermore, theoretical model of the structure-magnetic dipole coupled system will be set up to investigate the interaction between magnetic dipole emitter and magnetic resonant structure, systematically. We will discuss the influence of structural parameters, magnetic dipole position and direction on the efficiency and directivity of magnetic dipole emission. Through the research of this project, it will be expected to reveal the enhancement and regulation mechanism of terahertz magnetic dipole radiation by the spoof surface plasmonic structures and provide a foundation for developing new type terahertz source and terahertz display technology based on magnetic dipole radiation.

先进的太赫兹光源在太赫兹科学技术发展和实际应用中起着至关重要的作用，利用光学微腔对太赫兹电磁辐射进行有效控制是当前实现高效率太赫兹光源的关键技术之一。然而，由于受磁量子辐射源和磁共振结构的限制使之前的研究主要是对电偶极辐射的调控，磁偶极辐射的调控还没有被系统研究，本项目拟基于人工表面等离激元开展对太赫兹磁偶极辐射的调控研究。具体包括：1、设计亚波长人工表面等离激元结构并研究其磁响应特性，讨论磁共振模式的品质因子、模式体积与结构构型和参数之间的关系，探寻新型亚波长强磁共振结构；2、建立结构-磁偶极子耦合的理论模型，探究结构与磁偶极子相互耦合机制，讨论结构参数、磁偶极子位置和取向对磁偶极辐射效率和方向的影响。通过本项目的研究期望揭示亚波长人工表面等离激元结构对太赫兹磁偶极辐射调控的规律，为发展基于磁偶极辐射的新型太赫兹光源和太赫兹显示技术打下基础。

先进的太赫兹光源在太赫兹科学技术发展和实际应用中起着至关重要的作用，利用光学微腔对太赫兹电磁辐射进行有效控制是当前实现高效率太赫兹光源的关键技术之一。然而，由于受磁量子辐射源和磁共振结构的限制使之前的研究主要是对电偶极辐射的调控，磁偶极辐射的调控还没有被系统研究，本项目设计人工表面等离激元实现对太赫兹磁偶极辐射的调控研究。通过设计螺旋状的人工表面等离激元结构，实现了超高品质因子的磁偶极共振模式，在这种模式下实现磁偶极子辐射增强因子达到5x106；在磁偶极辐射增强领域，通常的研究都聚焦于磁偶极子辐射的强度调控，其实磁偶极辐射方向的调控在其应用中扮演着重要的角色。因此，我们也设计了一种三磁偶极共振结构，其中中间的结构实现磁偶极辐射增强功能，而其两翼结构作为方向调制器，实现辐射强度和辐射方向双重调控功能；根据米散射理论，对于不同散射通道都有一个散射极限值，为了克服这种单通道散射极限，我们设计了一种对数螺旋结构实现了多频段超高品质因子的超散射现象，为辐射增强、灵敏传感提供了理论基础；实现超高Purcell辐射的前提条件是设计高品质因子的磁共振模式，BIC（Bound-states In the Continuum）是一种具有超高品质因子的束缚模式，我们在人工表面等离激元结构中通过调整结构参数实现了BIC模式，并利用其高品质因子实现超强磁偶极子辐射现象；另外，借助于人工表面等离激元结构的参量性质可调控地特性，设计结构实现定向散射以及磁镜子等新奇物理性质。通过本项目的研究揭示了亚波长人工表面等离激元结构对太赫兹磁偶极辐射调控的规律，为发展基于磁偶极辐射的新型太赫兹光源和太赫兹显示技术打下基础。