等效表面等离激元的物理机制与器件研究

Spoof surface plasmon polairtons (SSPPs) have been a research hotspot in the area of metamaterials in recent years. However, complex structures and large lateral dimensions usually limit real applications of the traditional SSPPs devices. Compared with SSPPs, the modal dispersion induced effective surface plasmon polaritons (ESPPs) behave more like real surface plasmon polaritons in the optical regime in terms of the dispersion relations and electromagnetic characteristics, exhibiting real deep sub-wavelength field confinement and local field enhancement. In this project, we will first carry out the research on the physical mechanism and electromagnetic characteristics of ESPPs tuned by the filling material parameters and lateral dimensions of the waveguide and then develop ultra-low loss waveguide, high Q value resonators and high performance filters based on ESPPs. In addition, we will explore the applications of ESPPs in wide-band electromagnetic energy harvesting in the framework of conformal transformation optics, high efficiency harmonics generation, sensors and feature information control of electromagnetic signals. This project aims at breaking through the bottleneck of SSPPs in real applications and providing the theoretical basis and technical support for the applications of ESPPs in new SPPs devices and systems in the microwave and terahertz frequencies.

人工表面等离激元(Spoof Surface Plasmon Polaritons, SSPPs)是近年来新型人工电磁材料的一个研究热点，但传统的SSPPs器件通常尺寸大、结构复杂，实际应用受限。与SSPPs相比，等效表面等离激元(Effective Surface Plasmon Polaritons, ESPPs)的色散和电磁特性更接近光波段真实SPPs，具有真正意义上的深亚波长场约束和局域场增强效应。本项目通过深入研究波导填充介质参数和横向尺寸调控下ESPPs的物理机制和电磁特性，开发基于ESPPs的超低损耗波导、高Q值谐振器件和高性能滤波器，探索ESPPs在共形变换光学机制下的宽带电磁能量收集、电磁波高效率谐波转化、传感和电磁信号特征信息调控等方面的应用，本项目拟突破SSPPs的应用瓶颈，为ESPPs在微波和太赫兹波段新型SPPs器件和系统中的应用奠定理论基础，提供技术支撑。

纵观人工表面等离激元的国内外研究现状，传统SSPPs和LSSPs从概念提出到器件和系统的实现都是基于周期性金属凹槽或孔洞结构，为实现亚波长约束，器件往往存在横向尺寸过大、结构复杂以及实用性不强等问题，导致当前SSPPs的研究缺乏后劲，工程应用困难。相反，基于波导模式色散诱导的ESPPs因具有真正意义上的深亚波长场约束、界面扁平、结构简单和损耗小等特点，使其更好地继承了光波段真实SPPs的优异性质，可极大拓展人工表面等离激元在微波和太赫兹器件中的应用空间，是当前的研究热点。目前，ESPPs的研究方兴未艾，许多理论尚不清晰，亟需针对其中的物理机制和关键技术开展创新性研究，为后续应用研究提供可靠的理论分析方法和设计手段，提升我国在相关工程领域的技术水平和设计能力。. 本项目完成了波导模式色散诱导的等效表面等离激元的物理机制及其相关器件研究。首先，在前期研究基础上进一步完善了基于波导模式色散诱导的ESPPs和ELSPs理论体系，基于模式匹配、多模网络和波导等效媒质理论等方法研究了ESPPs和ELSPs的电磁特性：包括ESPPs的色散特性和场分布，ELSPs的散射截面和谐振特性等；其次，研究了波导类型、尺寸、填充介质参数对ESPPs和ELSPs电磁特性的影响；最后，在理论研究基础上设计和开发了微波段基于ELSPs的新型微波功能器件。. 本项目研究了等效表面等离激元的物理机制，构建了理论框架，提出了有效的理论分析方法，设计并开发了基于ELSPs的新型功能器件，突破了常规SSPPs和LSSPs器件结构复杂、尺寸过大和在深亚波长场约束性方向实用性不强等瓶颈，探索了ELSPs在微波波段新型传输和谐振器件等方面的实际应用。本项目通过对等效表面等离激元的理论、实验和应用方面的研究，为ESPPs 和ELSPs在微波和太赫兹波段新型SPPs器件和系统中的应用奠定了理论基础并提供了技术支撑。