基于复合周期结构的THz频段人工表面等离子体传输特性及功能器件研究

Spoof surface plasmon supported by structured perfect metal surface can be tightly confined around the structured surface and hence realize high performance transmission with low loss and high efficiency for THz wave. In this project, we study on dual band transmission characteristics of Spoof SPPs of composite periodic structure. By using theoretic and simualtion methods, we will research the dispersion relation of Spoof Spps and the influence of configuration parameters to the dispersion relation, the binding capacity of the structured surface to Spoof SPPs and the transmission efficiency. Furthermore, we will study the coupling characterisitics of electromagnetic waves between subcells in composite periodic cell to explore the physical mechanism. Based on these researches, we will design and fabrciate simples of waveguide and filter operating in the frequency range from 0.1 to 3THz, and experimentally study the operation performance. The research results of this project will provide theoretical and experimental foundation for developing novel Spoof SPPs devices in terahertz regions.

周期性亚波长结构支持的伪表面等离子体是当今物理学研究的热点之一，由此制作的人工表面结构能够将伪表面等离子体束缚在表面，实现高效率、低损耗传输，利用其实现高性能THz传输系统具有重要的研究意义和应用价值。本项目拟开展THz频段复合周期性亚波长结构中表面等离子体的双频传输特性研究。采用理论分析、模拟仿真以及实验研究相结合，研究不同形式的复合周期人工表面结构对电磁波色散特性的影响规律；研究复合周期结构单元的构建方式以及子单元间的电磁互耦特性对伪表面等离子体束缚能力及传输特性的影响机理。在此基础上，实验制备新型高性能THz波导、滤波器等器件，并对器件性能实验检测。本项目的研究将为探索发展新型太赫兹人工表面等离子波导、滤波器等功能器件提供理论基础和技术支撑。

人工表面等离子体激元（Spoof surface plasmon polaritons, SSPPs）是光频段表面等离子体激元（Surface plasmon polaritons, SPPs）在微波和太赫兹频段的拓展，它本质上是一种被周期性亚波长结构约束和传播的表面电磁模式。由于它具有光频段SPP相似的色散特性，因此我们称之为SSPP。由于SSPP具有高效率、低 损耗的传输特性，利用其能实现高性能微波/THz传输系统，具有重要的研究意义和应用价值。基于此，本项目对微波/THz频段SSPP波的色散特性、SSPP波导及功能器件进行了详细研究。此外， 对项目的研究内容进行了拓展研究，分析了不同超表面（metasurface）结构单元的Plasmonic谐振机理，并由此构建了高性能电磁波极化控制器件。具体研究如下：.（1）提出了具有复合周期结构的平面光栅，利用有限元方法分析了该种结构的电磁色散特性及模式特性，并与单周期光栅结构的色散特性和工作模式进行了对比研究。在此基础上，利用复合周期光栅的双带SSPP波传输特性，设计了分频器和90°弯曲波导；.（2）针对单光栅结构传输SSPP波具有较大传输损耗的特点，提出了互补型双光栅结构，并从色散关系、传播特性、模式分析等角度对双光栅结构进行了深入研究。结果表明，双光栅结构支持的电磁模式其主模为奇模SSPP波，且能在超宽带频率范围内实现高效传输；.（3）基于基模SSPP波的电场分布特点，提出了两种SSPP波的激励装置：一种为微带馈电的SSPP波激励装置；一种为共面波导馈电的SSPP波激励装置。在此基础上，设计出了高性能SSPP滤波器，并进行了实验测试，结果表明器件具有超宽带、高传输效率等优良性能；.（4）基于周期性亚波长结构单元的Plamsmonic谐振机理，研究了不同超表面结构对电磁波极化的调控特性，并对器件的性能进行了实验验证。