太赫兹表面等离子体波器件的设计、制备与表征

Employing the surface plasmonic wave for information processing will greatly reduce the size of devices and promote the integration of the system. However, the surface plasmonic wave is quite sensitive to the amplitude, phase, and polarization of the exciting light as well as the parameters of the subwavelength structure on the surface of a metal film, which brings a lot of difficulties for design and fabricate the devices for surface plasmonic wave control. We adopt the terahertz surface plasmonic wave imaging system to investigate how the amplitude, phase, and polarization of the exciting light and the parameters of the subwavelength structure effect on the propagation of the surface plasmonic wave. This technology can achieve both the amplitude and phase information of the surface plasmonic wave, which will greatly help us to analyze the functions of the designed devices. We will propose an optimization algorithm which combines the vector and scalar calculations to design surface plasmonic devices. We will also fabricate and experimentally characterize these devices. We will employ the femtosecond laser pump and terahertz imaging system to investigate the effect of photo-generated carries of subwavelength structure on the surface plasmonic wave, design some active surface plasmonic wave devices such as switch and channel exchanger. The research here will pave the avenue for surface plasmonic wave devices and promote the integration of the terahertz system.

利用表面等离子体波进行信息处理可以有效地减小器件尺度，促进系统集成，但是表面等离子体波对激发光的振幅、相位、偏振特性和金属表面微结构参数十分敏感，不利于器件的设计和优化。本项目将利用太赫兹表面等离子体波成像技术研究太赫兹激发光振幅、相位以及偏振特性和金属表面微结构分布对表面等离子体波的调控规律，同时获取表面等离子体波的振幅和相位信息；利用矢量标量相结合的快速优化设计算法设计多种具有复合功能的表面等离子体波器件，实验制备并验证器件的功能；利用飞秒泵浦太赫兹成像技术探测半导体微结构的光生载流子对表面等离子体波的动态调控作用，优化设计动态可控的太赫兹波段表面等离子体波器件，实现开关和通道转换功能。本项目的顺利完成将完善表面等离子体波器件设计的理论，使利用表面等离子体波进行信息处理成为可能，促进太赫兹波段片上信息处理系统的集成。

表面等离子体激元是一种发生在金属与电介质界面处的自由电子集体振荡模式。它能够把电磁波限制在远小于波长的尺度内传播，打破传统光学的衍射极限。利用表面等离子体波进行信息处理可以有效地减小器件尺度，促进系统集成，项目利用太赫兹表面等离子体波成像技术研究了太赫兹激发光振幅、相位以及偏振特性和金属表面微结构分布对表面等离子体波的调控规律，同时获取表面等离子体波的振幅和相位信息；利用矢量标量相结合的优化设计算法设计了多种具有复合功能的表面等离子体波器件，如高效太赫兹传播模式到表面等离子体转换器件，并能同时实现聚焦等功能。制备并实验验证了器件的功能；利用飞秒泵浦太赫兹成像技术探测半导体微结构的光生载流子对表面等离子体波的动态调控作用，优化设计动态可控的太赫兹波段表面等离子体波器件，实现开关等功能，设计制备了基于VO2的超构表面器件，可以实现温度控制的功能开关。项目完善了表面等离子体波器件设计的理论，使利用表面等离子体波进行信息处理成为可能，促进太赫兹波段片上信息处理系统的集成。