超表面耦合在太赫兹表面等离激元现象中的应用

利用超表面所产生的广义斯涅尔定律效应,构造合适的相位不连续超表面,也可以将空间传输的电磁波转换为表面波耦合进平面器件中,此时需满足梯度相位的周期长度小于电磁波的工作波长。本小节主要介绍利用超表面上的矩形分裂环形谐振器(Rectangular Split-Ring Resonator,RSRR)来激发THz表面波(Surface Wave,SW),实现空间传输波(Propagating Wave,PW)到SW的切换。RSRR的结构如图2-14(a)所示,由长度L和线宽w分别为45μm和5μm的金属RSRR、金属基底层和中间介质层(聚酰胆碱,介电常数为3.0+0.09i)构成,聚酰胆碱的厚度d=20μm,结构周期p=50μm。单元结构的对称轴相对于入射偏振x或y具有45°倾角。图2-14(b)所示的前4个编码结构“000”“001”“010”“011”,对应的参数s分别为0μm、7μm、17μm和24.75μm,后4个编码结构“100”“101”“110”“111”可以通过前4个编码结构顺时针旋转90°获得。在0.93 THz处,8个不同编码结构得到的交叉极化异常反射波的相位和振幅如图2-14(b)所示。从图2-14(b)中可以发现,8个编码单元结构对应的反射相位分别是167°、122°、76°、32°、-12°、-57°、-103°、-147°。相邻结构的反射相位相差45°左右,而所有结构的反射振幅都在0.8以上。如果我们采用编码序列为“001”“011”“101”“111”“001”“011”“101”“111”……且超级子单元尺寸为2×2,通过超表面产生的广义斯涅尔定律,就可以将PW耦合进平面结构中形成SW。图2-14(c)(d)中的红色箭头和蓝绿色箭头分别表示在自由空间中的y极化和x极化传输波,紫色箭头表示石英衬底上的表面波。y极化时将转换为TM模式的表面波,x极化时将转换为TE模式的表面波。

图2-14

(a)矩形分裂环形谐振器的单元结构图,d=20μm,p=50μm,L=45μm,w=5μm;(b)在0.93 THz处,8个不同编码结构得到的交叉极化异常反射波的相位和振幅图;(c)(d)PW到SW的转换,y极化传输波(红色箭头)或x极化传输波(蓝绿色箭头)垂直入射时会在石英基底上转换成具有TM模式或TE模式的表面波(紫色箭头)

图2-15为仿真计算的效果图。仿真计算时,需要在编码超表面上方600μm处设置一个尺寸为855 m×720 m的波导端口,紧邻超表面放置一个厚度为80μm的石英晶体介质层(εr=4.4,δ=0.000 4)。对于在0.75 THz处的y极化PW入射波[图2-15(a)(b)],超级子单元尺寸为2×2,这样能够保证单元的周期长度与入射波长相等(匹配)。仿真结果表明,石英介质层内部及附近存在明显的E x分量,此时石英介质层中的表面波波长为328μm,小于自由空间波长400μm,因此可以在石英基底上转换成SW的TM模式。由图2-15(c)(d)可以看出,对于x极化PW入射波,此时超级子单元尺寸为1×1,满足周期结构单元长度小于入射波长。在1.05 THz处,在石英介质层的中心发现明显的E y分量,垂直入射的x极化THz波被转换为TE模式的表面波。(www.xing528.com)

图2-15　PW-SW转换的电场分布图

(a)(b)在0.75 THz处SW的TM模式下的E x和E y的电场分布;(c)(d)在1.05 THz处SW的TE模式下的E y和E x的电场分布