太赫兹金属线表面等离激元的理论研究

The research on metal wire plasmon of terahertz wave has not only important academic value but also strong application background. It is one of international hot research topics.. In this project, we plan to investigate the propagation and focusing of the plasmon of two circular nanoscale metal wires;the propagation and coupling of the plasmon of single elliptical metal wire, the propagation and coupling of the plasmon of two elliptical metal wires, and the propagation and imaging of the plasmon of multiple metal wires. We plan to use both the research methods of rigorous numerical calculation and approximate analytical model. Rigorous numerical calculations can present the accurate propagation properties, and approximate analytical models can reveal the key physical mechanism. .The goals of this project are the establishments of the rigorous eigen-equations of the terahertz plasmons of the above-mentioned metal wires,and the related algorithms for the eigen-equations; the derivations of the related approximate analytical expressions; the establishment of deep understanding of this kind of plasmon; the achievements of many important research results, and the maintenance of international leading level in this hot research topic for our nation.

对太赫兹金属线表面等离激元的研究不但具有重要的学术价值，而且还具有很强的应用背景，为当前国际热门研究方向之一。.本项目拟对纳米尺度双圆形金属线表面等离激元的传输与聚焦，单椭圆形金属线表面等离激元的传输与耦合，双椭圆形金属线表面等离激元的传输与耦合，以及多根金属线表面等离激元的传输与成像等特性进行系统的研究。本项目将主要采用严格的数值计算与近似解析模型相结合的研究方法，严格的数值计算可以提供精确的传输特性，而近似的解析模型则可揭示出关键的物理机制。.本项目的目标是建立上述各种形状金属线太赫兹表面等离激元的严格本征方程与精确的本征解算法；推导出相关的近似解析表达式；建立对该种表面等离激元的深层次理解；取得系列重要研究成果，为我国在这一热门研究方向上保持国际先进水平。

太赫兹波（THz waves）指的是频率在0.1-10太赫兹范围的电磁波。它具有很多优良特性，可应用于生命科学、材料学、高速无线通信技术和安全技术等领域，是近年来研究的热门方向之一。太赫兹波导的传输、耦合和聚焦问题是该领域内的一个重点、难点。.该项目重点研究了渐变双曲线形太赫兹金属波导的纳米聚焦问题以及解析描述问题。此外，还研究了不同半径双圆线太赫兹金属波导，渐变双椭圆太赫兹波导连接器的耦合，以及单椭圆太赫兹金属线波导的传输特性。.在渐变双曲线形金属波导研究中，我们首次在理论上证明了可实现太赫兹波的5纳米尺度的聚焦，并能同时实现能流的放大。这突破了渐变金属结构聚焦太赫兹波的趋肤深度的极限。在太赫兹双圆形金属线工作中，我们采用一种特定的保角变换（Möbius变换）把双圆形结构变换成共心圆结构，从而得到解析的准横电磁波模式场。在此基础之上，利用微扰理论首次给出了基模有效折射率（neff）的近似解析表达式。结果表明，模式场和有效折射率的解析表达式与有限元数值模拟值符合得很好。与此同时，我们利用有效折射率表达式在1.268THz附近发现了一个太赫兹传输群速度色散零点，并猜测该波段可能会在太赫兹传输中有一定使用价值。此外，研究结果表明渐变双椭圆波导连接器可实现太赫兹波从近似平板波导到双圆金属线波导的高效耦合，耦合效率为94%。发现单椭圆金属线具有低损耗，低色散的特性。.上述研究成果可能会被应用于太赫兹波的聚焦、耦合、导波以及成像等领域。