应用表面等离激元控制太赫兹偏振态

Surface plasmons have attracted numerous interests in recent years. Both the breakthrough of diffraction limit and field enhancement make surface plasmons competitive for their potential applications in near-field microscopy and integrated photonic devices.Researchers have carried out in-depth investigations on the field enhancement brought by surface plasmons. However, there is still a lack of studies on phase shift induced by surface plasmons, which is limited by the absence of phase detection at optical frequencies.We have observed the phase shift around the surface plasmon resonance at terahertz frequencies. By employing Terahertz Time Domain Spectroscopy (THz-TDS), we can easily detect the phase shift after the incident terahertz wave interacts with the surface plasmons.The surface plasmons induced phase shift can control the propagation direction of the terahertz beam as well as its polarization. By investigating the physical mechanism on how surface plasmons tailor phase shift, the plasmonic quanter wave plate for controlling the polarization of the terahertz wave within certain frequency bandwidth will be designed. This study on phase shift introduced by terahertz surface plasmons has not been reported yet. The proposed research will prospect the applications in the miniature integrated devices. Also, the results achieved at terahertz frequencies will be significantly benificial to the investigations in the optical domain.

表面等离激元可以突破衍射极限，在亚波长尺度产生极强局域场。人们已经对表面等离激元引起的场增强进行大量研究。表面等离激元产生的场相位变化可以用来控制入射场的传播方向及偏振态，也具有重要研究价值。由于可见光波段缺乏直接探测相位变化的实验手段，目前对于相位的研究比较欠缺。在前期研究中，项目申请人已经证实太赫兹波段表面等离激元可以引起入射场相位改变，并推测其可以控制太赫兹场偏振态。本项目将使用太赫兹时域光谱系统，直接探测入射场与表面等离激元相互作用后的相位变化，研究表面等离激元控制相位变化的物理机制，设计出可以调节入射场相位变化的太赫兹四分之一波片，在一定频率范围内控制太赫兹场的偏振态。本课题的研究内容- - 太赫兹表面等离激元导致相位改变-目前在国内外尚无报道，该研究有助于实现集成器件小型化，并对可见光波段表面等离激元相关研究具有指导意义。

随着摩尔定律接近极限，集成电路向更小型化的发展遇到瓶颈，利用亚波长人工结构实现的表面等离激元集成电路有望成为延续摩尔定律的新方向。然而，表面等离激元在亚波长人工结构中的激发以及振幅、相位调制机理尚不清楚。基于新一代应用的需求，本项目研究了亚波长人工结构对透射场振幅与相位调制的机理研究。首先揭示了亚波长金属孔阵列激发的表面等离激元产生的透射增强现象的物理过程，并利用耦合谐振子模型对表面等离激元对增强透过的影响进行了定量研究，在太赫兹场激发下的亚波长金属孔阵列产生透射场增强的物理过程被建立起来：入射的太赫兹场先激发孔引起的局域振荡，孔局域振荡再激发表面等离激元，随后孔局域振荡与表面等离激元相互耦合，产生透射场增强。该项研究首次从实验上验证了Spoof表面等离激元的产生机理，并可应用到全波段范围。此外，还分别研究了亚波长金属孔阵列及颗粒阵列引起的表面等离激元对透射场相位调制的机理，孔阵列与颗粒阵列具有不同的调制机制，金属颗粒阵列引起的相位跳变主要由金属颗粒表面等离激元振荡引起的，因此相位跳变比较简单，相位跳变更陡峭明显，而周期性金属孔阵列中，相位跳变是由孔局域振荡与表面等离激元振荡之间的Fano耦合共同决定，导致相位变化更平缓，因此，可针对不同的相位变化需求，分别使用金属颗粒阵列或孔阵列控制太赫兹波的相位变化。基于上述研究成果，分别设计了基于亚波长金属孔阵列及颗粒阵列的太赫兹四分之一波片。研究成果共发表SCI论文2篇，EI论文3篇，申请发明专利1项。本项目研究可为亚波长人工结构器件的设计提供指导，未来广泛应用于表面等离激元集成电路应用中。