基于Bloch表面波与金属粒子共振耦合的太赫兹波传输调控研究

Confining the THz wave in subwavelength region is an important rout to reduce the device sizes, improve the imaging resolution and enhance the sensing limit of THz wave. Generally the spoof surface plasmon polariton is employed to guide the THz wave within subwavelength regions.Yet by this means, it is difficult to eliminate the Ohmic losses caused by the confinement effect. This project proposes a new strategy to enhance the subwavelength bounding effect while reducing the transmission losses of THz wave based on the bloch surface wave in the one dimensional dielectric grating. We will investigate the Influence of structural parameters of the grating on the dispersion relation of THz surface wave. And by optimizing the grating structure, we aim to improve the transmission distance and the bounding effect of the THz wave simultaneously. The project is mainly focused on analyzing the coupling mechanisim between the bloch surface wave and the localized surface plasmon resonance of metallic particles. The impact of mode coupling on THz transmission will be revealed. This mode coupling will be utilized to adjust the field distribution, transmission losses and near-field confinement of THz wave, which in turn leads to effective manipulation of transmission characteristics of the THz wave. If smoothly implemented, the project might overcome the difficulty of simultaneously realizing the strong confinement and low losses of the THz surface wave. And it is expected to motivate the potential industrial applications of THz subwavelength devices.

将太赫兹波束缚于亚波长区域是减小器件尺寸、提高成像分辨率、增强传感灵敏度的重要途径。目前通常采用伪表面等离子体技术实现太赫兹波的亚波长限域。然而该方法难以消除光场束缚产生的金属损耗。本项目提出利用一维介质光栅中的布洛赫表面波实现对太赫兹波的亚波长限域和低损耗传输的新思路。探讨光栅的结构参数对太赫兹表面波的色散曲线的影响规律，通过优化光栅结构同时提高太赫兹波的传输距离和束缚程度。重点研究光栅表面金属粒子的等离激元共振与布洛赫表面波模式耦合的作用机制，揭示共振耦合对太赫兹表面波传输行为的影响。在此基础上，通过共振耦合调谐太赫兹表面波的模场分布、传输损耗和束缚深度，实现对太赫兹表面波的传输特性的有效调控。本项目有望解决太赫兹表面波无法同时实现较强的亚波长束缚与减小的传输损耗的难题，推动太赫兹亚波长器件向产业化方向的深入发展。

将太赫兹电磁波空间限域于亚波长区域对于提高光电器件的集成度、传感器的灵敏度和太赫兹成像的分辨率是十分重要的。然而受衍射效应的限制，很难将波长为几十微米甚至亚毫米的太赫兹波压缩至几微米的亚波长区间。本项目聚焦研究通过布洛赫表面模式(BSW)和金属等离激元的耦合作用，将电磁波束缚在亚波长的尺度范围内传输、并讨论其传输特性和光场调控。三年来，项目组严格按照计划积极推进研究，取得了如下成果：（1）深入研究了超材料太赫兹调制器的工作机理，构建了振幅调制的解析物理模型，揭示了调制深度与器件结构的内在联系，并通过优化调制器的结构参数提高了调制深度，降低了器件对泵浦功率的要求；（2）理论研究并实验验证了基于Bloch表面波的多层介质薄膜波导，讨论了波导内导模、SPP模式和布洛赫模式等多种传播模式的耦合效应，并将该波导用于折射率传感，得到～2600的FOM和～5000的Q值，阐明了Bloch器件作为高分辨率传感器的特性优势；（3）设计并研究了基于石墨烯/多层介质薄膜结构的梳状吸光器件，通过Bloch模式与导波模式的杂化在可见光范围内的多个波段同时实现增强吸收，且吸收峰具有极窄的线宽，Q值高达1E6量级；（4）提出并分析了基于双曲色散多层膜的宽带可见光全吸收结构，利用局域等离激元与等离子表面波的多重耦合，实现了400-750nm可见光全波段的光谱平均吸收率>95%的高效吸收。在本项目资助下，项目组在Optics Letters, Journal of Physics D, Applied physics Express等国际著名期刊发表论文8篇，申请国家发明专利4件。培养了4名研究生；参加了10余次国际国内学术会议，报告了相应研究成果。本项目为太赫兹波导与集成功能器件的研究提供了理论基础、实验数据和应用新思路。