类局域表面等离子体内外相互作用诱导太赫兹谐振模式分裂

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近几年,超材料和超表面因其性质不再拘束于自然环境中的天然材料固有性质,可以根据实际要求设计加工的特点,受到了众多研究者的关注。这种具有新的独特电磁特性的人工电磁材料,展现出对电磁辐射控制和操纵的强大能力。所以在低频波段的太赫兹领域,广泛利用了超材料和超表面的优良特性,对太赫兹波进行多种调控。不仅如此,通过巧妙设计的金属结构在超材料中的电响应和磁响应,可以实现新的光学特性,通过人工设计的超材料在太赫兹电磁场中对局域场的加强,产生高品质因子的谐振。不仅推动了与生物医学交叉学科的发展,也加速了太赫兹生物传感器技术的进步。类局域表面等离子体(Spoof-LSP)是表面等离子体在低频波段的拓展,虽然在较低的频率下,金属表面不存在等离子体响应,但仍然可以通过所谓的Spoof-LSP来实现电磁能量的高限制。通过Spoof-LSP模式提供的场增强,可以加强光与物质的相互作用,从而允许检测THz超材料介电环境的微小变化,极大的克服了太赫兹光谱在传感技术中广泛应用时受到的光源功率低和探测器灵敏度低的阻碍。本论文对Spoof-LSP内外相互作用诱导太赫兹谐振模式分裂展开研究。主要分为以下两个部分:1.连续介质中束缚态(BIC)的概念被认为是一种与扩展波共存但不辐射到连续介质(空间)中的状态,通过引入非对称微扰的暗多极散射功率能够在平面超表面中实现准BIC。在这种情况下,闭合表面的织构金属空腔上发生的非对称位移很可能引起Spoof-LSP的准BIC效应。所以我们提出并设计了由一个带有支持Spoof-LSP固有模式的周期槽的织构圆腔和嵌入在圆腔中心的对称双间隙裂环谐振器(DSRR)互补结构组成的超表面。通过调节互补DSRR的一个间隙相对于另一个间隙的位置(固定在中心),圆腔的整个结构从C2v对称性退化到非对称性。通过增加诱导透明窗口频率区的不对称度,BIC转变为准BIC。运用太赫兹时域光谱法进行测试,验证了实验、模拟以及五谐振子耦合模型之间的拟合。拟合结果表明两种BIC(准BIC)的泄漏通道的阻尼比都比透明窗口的亮边模低得多,耦合系数表明准BIC I与低频亮模ν1有关,准BIC II与高频亮模ν2有关。测量的Q因子与几何不对称性的关系函数拟合得很好,在准BIC II的实验中测得的Q因子的极大值为23.2。上述结果的实现为通过调节Spoof-LSP诱导的透明窗口实现双太赫兹准BIC开辟了一条新的途径,为制作多波段薄膜传感器带来了新思路。2.光子边缘模将光限制在表面等离子体腔内,有利于图像和生物传感器的应用,具有广泛的应用前景。然而,在太赫兹波段,Spoof-LSP腔中的边缘模理论还没有完全成熟,对于工作在太赫兹频率范围内的器件来说,这仍然是一个挑战。在这里,我们提出了一种经济有效的策略,设计了每个晶胞中含有2×2个Spoof-LSP支撑的准原子的太赫兹超表面,利用四聚体布局中强耦合的4重Spoof-LSP的超表面来实现太赫兹光子边缘模。从太赫兹介电函数可以看出,边缘模的品质因数随着四聚体的收缩而减小。根据模拟的电场分布,可以将出现的边缘模分为内边缘模式和外边缘模式。我们的结果揭示了太赫兹波段Spoof-LSP的边缘模式。本论文瞄准了当前微纳光子学和生物医学光子学交叉的前沿科学问题:类局域表面等离子体(Spoof-LSP)的谐振模式的激发与调控这一关键科学问题,开展了理论与实验研究,先后从上述两方面得到了新的结果。
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