超薄结构上人工表面等离激元的非线性特性研究

At lower frequencies, spoof surface plasmons can be confined on plasmonic metamaterials which are constructed by patterning the metal surface with subwavelength periodic features.It can break the diffraction limit of electromagnetic wave to achieve subwavelength plasmon components, showing great application prospects and scientific significance in microwave, terahertz and far-infrared frequency regime. In previous research, The transmission line, filter, coupler and other linear functional devices based on ultra thin structure spoof surface plasmon have been widely studied. It provides a new way to realize the miniaturization of the circuit system.This project will mainly discuss the nonlinear characteristics of the spoof surface plasmons. Including: 1. Study the circuit model for spoof surface plasmons. The relationship between the parameters of metal structure, shape, substrate material and transmission performance is studied. Optimization of transmission and local characteristics of artificial surface plasmon polaritons. 2. Study the nonlinear characteristics of the surface plasmon polaritons. Analyzes the influence of the nonlinear material and the nonlinear components on the transmission and the characteristics of the spoof surface plasmons. Study the new physical phenomena. 3.Design the nonlinear circuits based on spoof surface plasmons for energy amplification and frequency mixing circuits. The completion of this project will provide a new theoretical basis and technical basis for the design, fabrication and experiment of nonlinear circuit systems based on artificial surface plasmons.

存在于亚波长周期结构表面的人工表面等离激元，能够突破衍射极限，将微波、太赫兹和远红外频段的电磁波束缚在亚波长范围内进行传输和局域化，具有重大科学意义和应用前景。在前期研究中，基于超薄结构人工表面等离激元的传输线和滤波器、耦合器等线性功能器件已被广泛研究证实，为实现电路系统的小型化设计提供了一条新路径。本项目将主要讨论人工表面等离激元的非线性特性。具体包括：1. 研究人工表面等离激元的电路模型，明确研究金属结构尺寸、形状、基底材料等参数与传输性能的关系，优化设计人工表面等离激元的传输性和局域特性；2. 研究人工表面等离激元的非线性特性，分析非线性材料和非线性元器件对人工表面等离激元传输和局与特性的影响，探讨其中新物理现象；3. 设计基于人工表面等离激元的能量放大、频率混合等非线性电路。本项目的完成将为基于人工表面等离激元的非线性电路系统的设计、制备和实验表征提供新的理论依据和技术基础。

人工表面等离激元是基于人工电磁媒质思想，通过构建人工超材料在微波、太赫兹频段实现具有高局域和亚波长特性的表面波。这种超材料的等效折射率由结构的几何参数决定，且表面波的色散特性与传统光频表面等离激元类似，能够继承表面等离激元的空间约束和局部场强特性，因而受到广泛关注。本项目针对人工表面等离激元，首先研究了其中的人工局域表面等离激元的谐振模式，通过数值仿真技术分析结构各个参量对谐振模式的影响，阐明其谐振机理，在此基础上我们提出了基于人工局域表面等离激元磁谐振的小型化天线，实现了水平极化全向辐射。我们还研究了基于人工局域表面等离激元的耦合机制。通过数值仿真分析了耦合情况下的电场、磁场以及电流分布，确定了耦合模式。在此基础上通过耦合模理论和拉格朗日方程建立人工局域表面等离激元耦合的数学模型，并求得了对称与非对称情况下的耦合系数。进一步构建了周期排列的人工局域表面等离激元耦合波导，实现了远距离表面波传输。通过分析波导色散关系，研究了表面波的前向与负折射率后向传输，并实验验证。最后，我们研究了人工表面等离极化激元的模式，并掌握了其高阶空间谐波的辐射机理。设计了基于人工表面等离极化激元的共振环结构实现了涡旋波束天线。本项目从理论计算、数值分析和实验验证等多个方面对人工表面等离激元模式进行了研究及应用，推动了该领域的进展，为其非线性研究打下了坚实的基础。