石墨烯微米带THz SPPs的激发及场分布特性研究

表面等离激元可以突破衍射极限,具有强局域性,在传感、起偏、吸收、分束等方面具有广泛的应用前景.目前,太赫兹波段的表面等离激元器件研究大多是在远场光谱方面,其近场特性的研究有待更进一步深入.本文基于石墨烯微米带结构,研究了太赫兹表面等离激元的激发及场分布特性.本文设计了能够通过太赫兹波激发表面等离激元的石墨烯微米带结构,数值计算了其表面等离激元的场分布,并制备了石墨烯微米带器件,利用透射式太赫兹近场显微镜激发并测量了石墨烯微米带的表面等离激元,对共振失谐对等离激元场分布的影响进行了探究.研究结果为石墨烯表面等离激元器件在太赫兹生物传感、安全检测、高数据率通信等方面的应用提供了相关指导.     

专题：人工表面等离激元及其应用

人工表面等离激元是一种十分重要的亚波长电磁模式,基于这种波长较短的新型电磁模式,可开发薄层化、轻量化、小型化的新型电磁材料与器件,在航空、航天、通信、隐身等领域具有十分重要及广阔的应用前 景。本专题依托国家重点研发计划“高端功能与智能材料”“超材料加工制造关键技术与典型应用”、国家自然 科学基金“基于人工表面等离激元色散调控的天线 天线罩一体化隐身设计研究”等项目设立,聚焦国内人工表面等离激元的最新研究动态,汇集国内优秀团队研究成果,以期增进国内人工表面等离激元研究领域的学术交流和应用技术探讨,促进人工表面等离激元基础研究和技术创新应用的发展。本期专题采用增强出版形式,读者可扫描以下二维码查看相关支撑材料,以加深对论文内容、思路与方法的理解。     

超平整、低损耗表面等离激元贵金属薄膜的制备、表征与应用

由于对电磁场巨大的局域化共振增强和调控作用,表面等离激元自发现之初就成为微纳光学领域的研究热点之一,在很多纳米尺度器件应用方面颇具潜力.然而,长期以来表面等离激元的实际应用受到样品制备技术的显著限制,超平整、低损耗贵金属薄膜的低成本制备技术的缺乏不仅阻碍了其实验研究的进展,更限制了表面等离激元材料在多个领域内的应用发展.随着各项制备和表征技术的发展,贵金属薄膜的平整度和光学特性逐渐从理论期望走向实际使用,从随机制备后选取逐步变为精确调控的薄膜生长.本文从制备、表征和应用三个方面出发,系统地介绍了当前贵金属超平整表面等离激元薄膜的研究进展与前沿应用.     

人工表面等离激元片上传输线及其应用

现代信息技术对芯片的集成度与功能多样性提出了越来越高的要求,使得微带线、共面波导为代表的传统片上传输线在电磁模式与功能方面的短板日渐凸显。因此,从物理底层寻找具有全新传输模式的传输线是突破当前芯片瓶颈的一条重要技术路径。人工表面等离激元传输线作为一种具有强场束缚性和灵活可调色散特性等优势的电磁超材料,有望成为下一代芯片技术中的关键基础元件。文中介绍了人工表面等离激元片上传输线的基本构型、小型化设计以及可重构设计,展现了人工表面等离激元片上传输线具有的极高自由度。然后介绍了基于人工表面等离激元片上传输线的片上去耦应用和信号调制应用研究进展,展示了人工表面等离激元片上传输线巨大的应用潜力。     

基于等离激元微纳结构的太阳能界面光蒸汽转换

作为人工微纳结构与光热转换的融合,太阳能光蒸汽转换成为近年来太阳能热利用领域的研究热点之一.基于人工微纳结构的等离激元吸收体,能够在整个太阳光谱范围内实现高效的光子捕获.等离激元吸收体表面和内部的光致局域加热,促成了高效的液气相变.与碳基吸收体相比,等离激元吸收体不但可将入射太阳光局域在亚波长尺度内,形成致密的热点,而且其吸收光谱可灵活调控.围绕等离激元吸收体的光蒸汽转换体系,还具有热响应快、材料抗腐蚀、可回收等优势,可用于海水淡化、污水处理、灭菌消毒等水处理领域.本文从光吸收和热局域两个角度阐述了等离激元光蒸汽转换系统的设计与优化,并对其应用前景作了展望.     

表面等离激元调控自发辐射研究进展

表面等离激元可以有效地调控自发辐射体的内量子效率和外量子效率,为发展高效新能源提供了可行的方案。特别是近年来,国内外研究人员将该技术应用到固体发光器件中,取得了许多有价值的研究成果。基于这些研究成果,文章介绍了表面等离激元调控固体发光器件自发辐射的原理和实验进展。     

2020年太赫兹科学与技术热点回眸

 2020年太赫兹科学与技术在辐射源、探测器、5G/6G通信、医疗、农业、安检与军事等领域取得了一系列突破性发展,为太赫兹的工程应用和产业化起到了积极的推动作用。对2020年太赫兹科学与技术关键热点,包括6G通信、太赫兹医疗、太赫兹军事应用等进行了概述,并展望了其未来发展。     

基于人工表面等离激元的天线赋能技术

针对现有天线尺寸对材料属性的过度依赖、天线隐身与辐射性能的固有矛盾、以及天线波束可重构方式和性能受限等瓶颈问题,着重讨论了利用人工表面等离激元场增强、场束缚及慢波效应对天线进行赋能的技术,包括基于人工表面等离激元的天线小型化技术、雷达散射截面抑制技术、以及波束重构技术,为新型天线的研究提供新的思路和选择。     

法布里-珀罗谐振腔中石墨烯的等离激元光学性质

在法布里-珀罗谐振腔内可以实现电磁波和石墨烯中等离激元的耦合并形成等离极化激元.利用麦克斯韦方程结合边界条件得到了谐振腔中的电磁模式,研究了处于谐振腔中的石墨烯对腔模电磁波的影响,发现在太赫兹频段内,石墨烯的存在对腔模的影响较小.同时,利用麦克斯韦方程得到了谐振腔中石墨烯等离极化激元模式,发现谐振腔中石墨烯等离极化激元模式只能在谐振腔内以相对较大的波矢q存在.     

基于表面等离激元的量子相干效应的理论研究

起源于金属中自由电子集体振荡的表面等离激元,具有超小的光学模式体积和亚波长局域的近场增益,为纳米尺度上研究光和物质相互作用带来新的机遇．共振的纳米金属结构的近场区域,具有各向异性的珀塞尔系数,并且可以为量子体系提供近场激发．我们理论上演示了基于表面等离激元结构的单分子共振荧光、原子布居数的本征量子拍频及其在表面等离激元结构中的纳米尺度上的实现、表面等离激元诱导的各向异性珀塞尔系数导致的亚波长尺度自发辐射谱线的变化．这些结果在超紧凑的有源量子器件中有潜在应用．     

人工表面等离激元馈电的宽带低旁瓣全角度波束扫描天线

提出了一款人工表面等离激元馈电的宽带全角度低旁瓣波束扫描天线。采用人工表面等离激元馈电卵圆形辐射贴片阵列和对跖Vivaldi辐射器，在快波区激发高次谐波实现漏波辐射，在慢波区呈现低损耗能量传输效果激励对跖Vivaldi的端射模式，从而实现了在4~12 GHz（相对带宽100%）内全角度（180°）波束扫描。进一步，通过对卵圆形辐射贴片进行锥形排布降低了天线在漏波辐射时的旁瓣水平。仿真结果表明，所设计的全角度波束扫描天线能够在4~12 GHz内旁瓣水平均在-10 dB以下。该天线在雷达探测、目标跟踪等应用场景具有重要应用潜力。     

Nanoscale all-optical devices based on surface plasmon polaritons

Surface plasmon polariton, a kind of surface electromagnetic wave propagating along the interface between metals and dielectrics, provides an excellent platform for the realization of integrated photonic devices due to its unique properties of confining light into subwavelength scales. Our recent research progresses of nanoscale integrated photonic devices based on surface plasmon polaritons, including all-optical switches, all-optical logic discriminator, and all-optical routers, are introduced in detail.     

基于超材料的雷达吸波材料研究进展

雷达吸波材料能够有效地抑制透射波和反射波,因而被广泛应用于隐身、电磁屏蔽和兼容以及无线通信等领域。受制于材料的电磁频散特性,传统吸波材料的宽带低频吸波性能难以进一步提高。近年来,随着超材料结构设计的不断发展,基于超材料构架设计实现的宽带电磁吸波,由于具有更加灵活的电磁调控能力,因而在其电磁性能提升方面具有更大拓展空间。围绕雷达吸波超材料的最新研究进展,结合电磁吸波超材料的发展背景、设计原理和性能表征方面的内容,着重介绍了基于多谐振叠加吸波结构、超材料与传统材料复合吸波结构、三维阵列吸波结构以及人工表面等离激元吸波结构设计的宽带雷达吸波超材料,并对于未来雷达吸波超材料的发展趋势做进一步展望。     

Optical nano-imaging of gate-tunable graphene plasmons

The ability to manipulate optical fields and the energy flow of light is central to modern information and communication technologies, as well as quantum information processing schemes. However, because photons do not possess charge, a way of controlling them efficiently by electrical means has so far proved elusive. A promising way to achieve electric control of light could be through plasmon polaritons—coupled excitations of photons and charge carriers—in graphene. In this two-dimensional sheet of carbon atoms, it is expected that plasmon polaritons and their associated optical fields can readily be tuned electrically by varying the graphene carrier density. Although evidence of optical graphene plasmon resonances has recently been obtained spectroscopically, no experiments so far have directly resolved propagating plasmons in real space. Here we launch and detect propagating optical plasmons in tapered graphene nanostructures using near-field scattering microscopy with infrared excitation light. We provide real-space images of plasmon fields, and find that the extracted plasmon wavelength is very short—more than 40 times smaller than the wavelength of illumination. We exploit this strong optical field confinement to turn a graphene nanostructure into a tunable resonant plasmonic cavity with extremely small mode volume. The cavity resonance is controlled in situ by gating the graphene, and in particular, complete switching on and off of the plasmon modes is demonstrated, thus paving the way towards graphene-based optical transistors. This successful alliance between nanoelectronics and nano-optics enables the development of active subwavelength-scale optics and a plethora of nano-optoelectronic devices and functionalities, such as tunable metamaterials, nanoscale optical processing, and strongly enhanced light–matter interactions for quantum devices and biosensing applications.     

电介质球腔体模式与金属表面模式的共振吸收

利用多重散射法对表面等离子激元模式和腔体本征模式,以及它们之间的耦合进行了详细的研究.研究结果表明:当二者之间的频率非常接近时,它们之间相互作用,在耦合频率附近可以产生非常强烈的吸收.通过调节体系中的某些参数,可以控制腔体本征模式和表面等离子激元出现的频率,从而使强吸收出现在所希望的频率上.详细地研究了介质小球的物理和几何参数对此共振吸收的影响.     

Solving surface plasmon resonances and near field in metallic nanostructures: Green’s matrix method and its applications

With the development of nanotechnology, many new optical phenomena in nanoscale have been demonstrated. Through the coupling of optical waves and collective oscillations of free electrons in metallic nanostructures, surface plasmon polaritons can be excited accompanying a strong near field enhancement that decays in a subwavelength scale, which have potential applications in the surface-enhanced Raman scattering, biosensor, optical communication, solar cells, and nonlinear optical frequency mixing. In the present article, we review the Green’s matrix method for solving the surface plasmon resonances and near field in arbitrarily shaped nanostructures and in binary metallic nanostructures. Using this method, we design the plasmonic nanostructures whose resonances are tunable from the visible to near-infrared, study the interplay of plasmon resonances, and propose a new way to control plasmonic resonances in binary metallic nanostructures.     

Recent progress in wide field-of-view optical receivers

The wide field-of-view （FOV） optical receiver has many advantages in optical wireless communication, sensing and detection. However, the FOV is limited by some tradeoffs of the receiver＇s components employing conventional optical devices. Furthermore, present mechanisms to extend the FOV are not effective. To realize the wide FOV receiver effectively, we propose surface plasmon polaritons （SPPs） as the potential candidate. Two examples are presented to lively illustrate SPPs＇ striking power to offer unexpected solutions to conventional problems. It is shown that unusual conditions should be explored to make use of SPPs under some circumstances. Excitations of localized SPPs, which are independent of the incidence angle, are suggested as the mechanism for the wide FOV receiver. Some progress in the optimization of SPPs＇ excitation at oblique incidence is also reported.     

基于金属-绝缘体-金属光栅结构的功分器及分波器设计

设计了一种基于仿表面等离激元（Spoof surface plasmon polaritons,Spoof SPPs）的金属-绝缘体-金属（metal/insulator/metal,MIM）光栅结构的Y型功分器和分波器。MIM光栅结构由两块内侧加工有周期性凹槽的有限厚度金属板构成,工作于微波波段,采用单极子作为激励来激发光栅结构上的仿表面等离激元。其中功分器的两个输出分支采用凹槽深度相同的光栅结构,可以将从输入端来的电磁波平均分成两个部分,然后分别朝着两个输出分支传播;而分波器的两个输出分支则采用凹槽深度不同的光栅结构,可以使不同频率的电磁波朝着不同的分支传播。利用三维电磁仿真软件CST微波工作室（CSTmicro-wave studio）对该功分器和分波器进行仿真分析,加工出分波器实物并进行了实验测试,测试结果与仿真分析基本吻合,验证了方案的可行性。