基于人工电磁微结构的太赫兹表面等离子激元新型调控研究

The structures of terahertz surface plasmon materials based on artificial electromagnetic micro-structures are in subwavelength level, which can easily break through the diffraction limit. This is crucially important to highly integrated circuit and plasmon functional devices. Aiming at the above mentioned, the goal of this proposal is to develop novel manipulation schemes for terahertz plasmon polaritons based on artificial electromagnetic micro-structures. We will investigate the novel physics associated with the excitation of terahertz surface plasmon polaritons employing metasurfaces. In addition, we will develop a series of novel terahertz plasmon functional devices based on flexible designs of the terahertz subwavelength structures for practical applications such as terahertz metalens, polarization-dependent transmission and slow light devices. We will also design and develop novel active terahertz plasmon devices based on the unique combination of the structural design and graphene/MEMS technique. The successful development of the terahertz near-field detection system based on photoconductive antennas provides a powerful tool for the characterization of the samples experimentally, which helps to further improve and optimize the structure designs. The successful accomplishment of this proposal will significantly contribute to the exploitation of novel terahertz plasmon devices and promote the development in the terahertz science and technology.

太赫兹人工电磁微结构表面等离子材料结构尺寸在亚波长量级，可轻松突破衍射极限，对制造高集成电路和等离子功能器件至关重要。本项目针对该热点问题研究基于人工电磁微结构的新型太赫兹表面等离子调控机理和功能结构。研究微结构超表面实现太赫兹空间传输波高效激发表面等离子激元的方法；利用超表面基本单元中微结构的谐振和耦合以及基本单元间的相干特性实现对太赫兹表面等离子激元的聚焦、偏振态相关的定向传输、慢光调控等功能操控；采用石墨烯和微机电（MEMS）技术实现对太赫兹表面等离子激元传输特性的动态调制。运用光电导天线高分辨率近场探测系统，实验观测太赫兹表面等离子激元的近场动态传输，进一步改进并优化结构设计。深度探索太赫兹表面等离子激元的传输机制、耦合机理、动态操控及其相关基础理论和关键技术。有望开发新型的太赫兹表面等离子功能器件，促进太赫兹功能器件的应用和产业化。

超表面由于其灵活的设计自由度以及卓越的性能，逐渐成为了调制表面波的理想工具。本项目旨在基于人工电磁微结构太赫兹超表面的设计灵活性，开展对太赫兹表面等离子激元新型调控方法的研究。通过仿真设计、实验观测、和系统理论分析，我们实现了多种激发和操控太赫兹表面波的新颖等离子功能器件。具体的研究工作包括：1、将成对的狭缝孔摆成闭合全息圆环，仿真和实验上实现了偏振可控的表面波计算全息成像和非对称激发；2、系统研究了黑磷的表面等离子特性；3、通过设计和优化金属互补H型狭缝谐振结构的表面等离子色散特性，实现了表面波在拓扑相变界面处的反常传输；4、提出利用开口谐振环狭缝对阵列超表面实现了对自旋-等离子轨道角动量转换的选择性激发；5、将超表面与石墨烯相结合，获得其在强太赫兹波激励下的非线性响应；6、提出了一种由周期性排列的金属十字型结构组成的太赫兹拓扑光子晶体，通过同时变形六角蜂窝晶格和调整十字型结构的旋向，获得宽带和窄带的拓扑结构，实现了受拓扑保护的太赫兹表面波的高效传输波导；7、提出了一种新型的电磁双曲超表面结构，通过改变太赫兹偶极子光源的激发方式可以实现对电表面波和磁表面波的同时调控；8、提出了一种双层金属-介质双曲超表面，当金属图案逆时针旋转时，模型的等频线也发生了逆时针的旋转和扭曲，从而产生了多方向的无衍射传输，实现了无衍射负折射现象和双通道负折射现象。此外，在项目研究过程中，我们还进行了一系列有意义的研究工作，设计了多种对空间太赫兹电磁波的新型调控超材料/超表面，包括：主动调控的太赫兹偏振转换器件、非对称传输太赫兹超材料和基于全介质太赫兹超材料的偏振相关分束器和非对称传输效应。这些新型的太赫兹功能器件在太赫兹传感、通信和成像领域大有可为。