金属线上太赫兹表面等离激元高效耦合技术研究

The THz SPPs on metal wires have unique advantages, and are of important meaning in the domains including THz waveguides, THz superfocus, and so on, so they become a current research focus in the world. Now the low efficiency for coupling the THz wave to the SPPs on metal wires becomes an important bottleneck for limiting their development, and the main difficulties result from the harsh coupling conditions, namely that the matching of their wave vectors, the matching of their polarization directions, and the matching of their field distributions all need to be satisfied.. In the previous work, we presented the double-dielectric-slab THz waveguide, and we found by theoretical study that, for the odd symmetrical TM modes in the waveguide and the THz SPPs on metal wires (including the cylindrical metal wires and the strip metal wires), the matching degrees of the wave vectors, the polarization directions, and the field distributions are all very high. Therefore, in this project, we propose firstly that the double-dielectric-slab waveguide is used to couple the THz wave to the SPPs on metal wires. This method can improve all the three mode matching needed, so it can increase the coupling efficiency. The expected coupling efficiency is 50﹪ in theoretical simulation, and is 40% in experiment. This study is likely to promote the development of the research and application of THz SPPs, and provide theoretical and experimental supports for designing the related functional devices and realizing the THz biomedical super-resolution imaging.

金属线上的THz SPPs具有独特的优点，在THz波导、THz超聚焦等领域具有重要的意义，现已成为国际上的研究热点。当前制约其应用发展的一个重要瓶颈是耦合效率太低，其难点在于耦合条件要求苛刻，即需要满足三方面模式匹配：波矢量匹配；偏振方向匹配；场分布匹配。. 申请人在前期工作中提出了一种双介质板THz波导，理论研究发现，该波导中的奇对称TM模与金属线（包括柱形金属线和条形金属线）上THz SPPs的波矢量、偏振方向和场分布都有较高的匹配程度。基于此，本项目首次提出利用双介质板波导对金属线上的THz SPPs进行耦合研究，该方法可同时改进模式匹配要求的三个方面，因而能够提高耦合效率，其理论仿真耦合效率预期可达50﹪，实验耦合效率预期可达40%。本项目研究可推动金属线上THz SPPs研究和应用的发展，为设计相关功能器件及实现THz生物医学超分辨成像提供理论和实验支持。

太赫兹波是指频率在0.1 ~ 10 THz范围内的电磁波，THz波具有很多优越的特性，这使得其在生物医学、探测、电子、信息、国防等诸多领域有着重要的研究价值和应用前景。本课题围绕THz表面等离激元进行研究，所取得的主要创新性成果包括：提出了利用薄塑料管对金属线上的表面等离激元进行耦合，由于薄塑料管上的THz模场分布与金属线上的SPPs的模式匹配度非常高，因而耦合效率可在很宽的频率范围内达到90%以上。推导了双介质板波导TE模和TM模的色散方程，利用该波导的色散方程研究得到了导模的传输特性与波导结构、THz波频率的关系。进而，我们提出将该波导TM奇模用于耦合柱形金属线表面等离激元。通过分析发现，双介质板波导TM奇模模式与柱形金属线模式的匹配度很高。我们理论计算了双介质板波导对直径为1 mm的金属线的耦合效率随波导结构、光束结构和THz频率的变化规律。得到的最大耦合效率为43.5%。提出利用纳米金属线-缝-电介质波导来实现THz波纳米尺度模式宽度、远距离传输。金属纳米线传THz波时其损耗主要来源于金属表面电子的本征损耗，在我们的波导中，由于加了外侧的电介质，可以使得模场分布靠近纳米线部分形状不变，因而模场宽度和纳米线上的模式一致，另一方面，又使得远离金属线部分的模场降低速度非常缓慢，因而金属线附近的模场占模式总的比例非常小，因而模式损耗很小。提出了石墨烯包裹的水滴状延拓纳米线，研究了该波导上两种不同的表面等离激元模式。对于模式B的场分布主要集中在纳米线内，特别是波导的楔形上部，模式宽度较大，另外当波导尺寸足够小，模式B出现截止。模式A的场分布主要在纳米线外，其可同时实现纳米尺度模宽和毫米量级传输距离。当模场宽度为34 nm，传输距离达到7λ0 (0.7 mm)，而且不管波导的尺寸增大，模式宽度基本保持不变，而传输距离增长。我们的研究成果为太赫兹波导及其应用提供了理论依据和技术支撑，对于促进太赫兹技术的发展具有十分重要的意义。