基于人工磁表面等离激元的高性能太赫兹波导的研究

The research of terahertz waveguides is the base part and the key technology of the application of THz devices and THz systems. High transmission loss, low environmental adaptability and the lack of active devices have become a bottleneck in the application of terahertz technology. Due to the local enhanced effect, the energy binding effect and the advantages of active control, THz artificial surface plasmon polaritons give a good chance to develop THz functional devices with high performance, active controlled and high integration. To solve the problems, this project aims to design new THz waveguide structures based on artificial magnetic plasmon polaritions under the design principle of electromagnetic metamaterials, and study the surface resonances, energy transmission and mode-coupling with other THz sources. The THz waveguides based on flexible organic materials and magneto-optic meterials will be developed and fabricated for multifunctional, one-way transmission and active tunable THz devices, to break the technology bottleneck of THz waveguide devices. Through the investigation of the project, THz waveguides based on THz artificial magnetic plasmon polaritions can be used for the development of multifunctional on-chip passtive or active THz devices in THz wireless systems in future.

太赫兹波导是太赫兹功能器件和应用系统的基础元件之一，是太赫兹波实际应用的关键技术，高传输损耗、低环境适应性和缺乏高效耦合有源器件已成为目前太赫兹技术应用的瓶颈问题。太赫兹人工表面等离子体结构因具有局域增强和能量束缚效应、便于主动调控等优点，更有利于实现高性能、可调控和高集成化功能器件，满足太赫兹技术应用对关键功能器件的需求。本项目拟利用电磁超材料结构原理设计新型基于人工磁表面等离激元的波导结构，研究太赫兹人工磁表面等离激元共振、能量传输及有源模式高效耦合的新机理和新特性，并结合有机材料、磁光材料开展具有多维传输、单向传输和主动调控功能的太赫兹波导器件研究，完善表面等离激元理论，突破现有太赫兹波导技术瓶颈，为研制多功能的微型化太赫兹无源和有源器件奠定基础。

太赫兹波导是太赫兹功能器件和应用系统的基础元件之一，是太赫兹波实际应用的关键技术，而高传输损耗、低环境适应性和缺乏高效耦合有源器件已经成为目前太赫兹技术应用的瓶颈问题。太赫兹人工表面等离子体结构因具有局域增强和能量束缚效应、便于主动调控等优点，更有利于实现高性能、可调控和高集成化的功能器件，满足太赫兹技术应用对关键功能器件的需求。本项目主要针对目前高性能太赫兹波导及其他功能器件缺乏以及太赫兹人工磁表面等离子激元波导有待开发的问题，围绕基于人工磁表面等离子体激元的太赫兹波导传输特性和操控方法，对基于人工超表面结构的太赫兹磁表面等离子体激元共振增强效应和能量传输理论进行了研究，理论分析了人工磁表面等离子体激元在超表面结构界面上的传输机理，论证了其形成机理、激发和传播条件、传输色散关系，获得了基于人工磁表面等离激元的新型太赫兹波导器件的功能特性和设计方法，基于开口谐振环单元结构实现了太赫兹波段的等离子体激元磁偶极子谐振及链状结构中直线和直角转弯的磁性互感传输，设计、制备并测试了线性级联与非级联排布的太赫兹磁表面等离子激元波导结构，获得了95%以上的传输效率。对多种可主动调控新材料，例如磁光材料、石墨烯、高掺杂半导体硅、二氧化钒相变材料、以及钙钛矿纳米材料的太赫兹波段电磁响应特性以及温控、光控调控特性进行了研究，探索了新材料在太赫兹器件中的应用可能，设计了多种基于可控材料和超表面相结合的杂交结构的主动调控太赫兹功能器件，为新型磁表面等离子激元和主动空可调控太赫兹多功能器件的研制打下了基础。