人工表面等离子体激元及相关低频亚波长器件

人工等离子体激元（SSPPs）技术，是一项控制低频波（微波或太赫兹波）传播的崭新技术。基于SSPPs机制，微波和太赫兹波可以被约束在远小于波长的范围内，即实现亚波长约束。这种技术为微波器件和太赫兹器件的小型化，以及相关器件系统的高度集成，提供了一条非常有效的新途径。本申请项目将从理论和实验二方面来开展SSPPs及相关亚波长器件的研究。理论研究主要有：（1）各种典型金属表面周期结构上的SSPPs的特性；（2）基于SSPPs机制的微波/太赫兹波的亚波长波导；（3）基于SSPPs机制的微波/太赫兹波的亚波长谐振腔；（4）SSPPs滤波器。根据我们的实验条件，实验研究在微波段开展，主要研究有：（1）微波辐射与SSPPs的耦合技术；（2）微波频率下金属表面周期结构上SSPPs的实验分析；（3）微波亚波长波导特性（包括弯曲损耗）的实验分析。本项目的研究不仅有学术意义，还有潜在的应用前景。

在过去的三年中，为微波和太赫兹领域器件小型化及其集成目标的驱动，人工表面等离子体激元[designer (or spoof) surface plasmon polaritons,简称人工SPPs]研究已取得了巨大的进展。三年前，我们在本项目申请时曾预言，人工表面等离子体激元在三维系统中的亚波长导波，以及在此基础上的器件应用，将是未来几年的研究热点，而三年来的研究发展状况，证实了我们的预测。由于我们的研究目标抓住了研究领域前沿的关键问题，这三年来，我们完成了一系列具有显著创新性的研究成果。我们提出和（理论和实验）研究了四种人工表面等离子体激元的导波方案，它们分别是金属表面单排周期孔结构，人工峡道等离子体激元（designer channel plasmon polaritons，简称人工CPPs）波导及其改进的紧凑结构，人工锲形等离子体激元波导。其中人工CPPs具有亚波长约束、较大传播长度和90度直角弯曲无损传输，以及适合平面集成等优点，应该是目前最佳的人工SPPs导波方案。其它导波方案也各具显著优点，存在着各方面的应用前景。这些研究成果不仅为人工SPPs走向实际应用提供了路径，而且增进了人们对人工SPPs物理性质的深入了解，因此它们已成为该领域研究进展中引人注目的组成部分，目前经常为国外同行在发表论文时所引用。除了人工SPPs波导外，我们在人工表面等离子体激元的基本物理以及人工SPPs功能器件等方面，也完成了很多的理论和实验研究工作，目前这些工作大部分已发表在国际学术期刊上。近年来，人工SPPs概念也开始应用于红外波段，那里自然的SPPs约束已经不理想，通过引入周期结构而形成一种人工与自然混合的SPPs，可以解决亚波长约束的难题，我们在这方面也取得了比较令人满意的研究成果。此外，围绕SPPs及人工电磁材料这个大方向，我们在SPPs光天线、单向电磁表面波以及非互易电磁波或光器件等方面，也做出了很多富有创新性的研究成果。三年来，我们已在Appl. Phy. Lett., Opt. Lett., IEEE Photon. Technol. Lett. , Plasmonics等国际学术期刊上发表了20篇（SCI）论文（还有数篇在投或即将发表），很多研究成果得到了国外同行专家的高度肯定与好评。