等效表面等离子激元的理论与应用研究

摘要

表面等离激元（Surface Plasmon Polaritons,SPPs）是一种光频段沿金属与介质交界面传输的表面波，具有显著的亚波长约束、近场增强和慢波特性。2004年，Pendry教授提出了人工表面等离激元（Spoof SPPs）的概念并由Hibbins等人在微波段得以验证。2016年，Engheta教授提出了等效表面等离子激元（Effective SPPs）的概念，2017年，课题组对Effective SPPs进行了理论和实验验证。 本文针对Effective SPPs开展了理论和应用研究，主要包括： 1.研究了多层系统中的耦合Effective SPPs模式色散特性和传输特性。具体推导了矩形波导和平行板波导中等效IMI（绝缘体/金属/绝缘体）和等效MIM（金属/绝缘体/金属）结构中耦合Effective SPPs模式的解析色散方程，解析和仿真结果吻合良好，这表明，等效IMI和MIM结构很好地模拟了光波段的IMI和MIM异质结构。 2.设计了一种基于Effective SPPs的带通滤波器。该带通滤波器由两个横向宽度不等的矩形波导上下组合而成，两个波导交界面处周期分布着横向槽，研究表明可以通过调节上侧窄波导的宽度来灵活调控滤波器的带宽，带宽内，该滤波器插损小。 3.提出了利用填充等效ENZ材料的通道连接两个等离子波导实现Spoof SPPs的隧穿效应。在介质填充的矩形波导上层金属壁刻蚀周期性的亚波长凹槽以支持Spoof SPPs的高效传输。通过改变等效ENZ材料的相对介电常数可以灵活地调控隧穿的频点。该方法可以实现Spoof SPPs在直通和弯折通道内低损耗的高效传输。

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