太赫茲人工表面等離激元無源器件

《太赫茲人工表面等離激元無源器件》是依託東南大學，由傅曉建擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：太赫茲人工表面等離激元無源器件
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：傅曉建
• 依託單位：東南大學

中文摘要

近年來，人工表面等離激元（SPP）因顯著的場局域和場增強效應、亞波長成像、器件小型化、高靈敏感測等而引起人們的廣泛關注。在前期工作中，本課題組已深入研究了微波SPP的物理機制，並提出了一系列柔性、超薄的二維SPP器件。在太赫茲頻段，由於波長大大縮短，器件特徵尺寸也隨之減小，因此原有的SPP激勵方式已不再適用。儘管文獻中已經有不少關於太赫茲空間波和SPP波轉換的報導，但效率較低，而且尚未有關於平面型太赫茲SPP無源器件的系統性實驗研究。本項目擬在前期工作基礎上，進一步研究太赫茲人工表面等離激元無源器件，包括太赫茲空間波、導波與SPP波的有效轉換、太赫茲SPP單元設計、以及典型太赫茲SPP無源器件，例如SPP波導、濾波器和耦合器等的開發。上述研究不僅對完善太赫茲SPP的理論體系具有重要意義，而且有助於開發各種新型太赫茲無源器件，促進太赫茲電路和通信的發展。

結題摘要

表面等離激元（SPP）是局域在金屬－介質界面並沿界面傳播的表面電磁波模式。因具有顯著的場局域、場增強和波長壓縮效應，SPP在小型化光學元件、近場成像和高靈敏度感測器等方面都有很好的套用前景，因此成為電磁學、物理學與材料科學等諸多領域的研究熱點。然而，在微波和太赫茲頻率區，金屬表現為良導體，不能有效激勵SPP波。基於電漿超材料的人工表面等離激元器件可以模擬光頻的SPP效應，在低頻區獲得場局域與場增強性質。目前，微波頻段的SPP器件已有廣泛報導，包括SPP波高效激勵、SPP無源器件、SPP有源器件和柔性超薄SPP器件等。本項目在此基礎上，系統研究了太赫茲空間波、導波與SPP 波的有效轉換機制，並基於此設計了平面型太赫茲SPP無源器件。具體包括：通過設計維瓦爾第天線和人工結構單元，實現了太赫茲空間波與SPP 波的有效轉換，最佳化的工作頻率為0.6 THz；通過設計微帶探針天線和矩形波導、SPP波導一體化設計，實現了亞太赫茲導波與SPP波的高效轉換，並在220~280GHz頻帶範圍獲得了SPP波的低損耗傳輸（傳輸損耗的仿真值不高於1.5dB，實測結果不高於5dB）；基於探針饋電的亞太赫茲SPP波導有效工作頻寬為0.15 THz、傳輸損耗小於3dB。本工作解決了空間波、導波與SPP波的動量不匹配問題，進而研製了寬頻、低損耗、緊束縛的太赫茲人工表面等離激元無源器件，獲得了太赫茲SPP波導原型器件。太赫茲SPP器件具有顯著的場局域與場增強特性、波長壓縮特性，因此在太赫茲電路與系統、生物化學感測與成像等方面均具有重要套用。