激发、传输和辐射模式高效可控的透射超构表面等离子激元实验研究

Owing to the local-field enhancement and subwavelength confinement, surface plasmon polaritons (SPP) have found a lot of applications in communication system, integration circuits, etc. To solve the single operation mode of SPP and meet the requirement of novel antenna and radar system, this project proposes the academic idea of realizing excitation, propagation and radiation control of SPP operating modes by using high-performance transmissive metasurfaces. Firstly, operating-mode modulation of SPP is investigated by analyzing the excitation condition of different SPP modes and mutual interactions among them. Secondly, we build the angular dispersion control mechanism based on the couple mode theory and design the angular-insensitive SPP meta-coupler. Thirdly, we explore the principle to control the SPP propagation vector and direction. Moreover, propagation vector-controllable SPP coupler and direction-controllable SPP coupler will be designed and measured. Finally, we study the radiation mode control mechanism by decoupling the SPP via transparent gradient metasurfaces. Some radiation devices, such as SPP polarization-dependent radiation device, large-angular SPP radiation device and charity (polarization)-dependent two-beam SPP radiation device, will be designed and experimentally demonstrated. This project is expected to provide solid theoretical background and brand-new technical means for developing multi-modes SPP meta-devices and novel radiation meta-devices.

表面等离子激元(SPP)具有亚波长和强局域场特性，在通信和集成电路等领域具有广阔的应用前景。本申请针对SPP工作模式单一以及SPP辐射体系在新型天线、雷达系统中的迫切应用需求，率先提出了采用透射梯度超构表面实现SPP激发、传输和辐射模式高效调控的学术思想。第一，探索不同工作模式SPP的激发条件和相互影响规律，构建SPP工作模式任意调控机制；第二，基于耦合模理论，建立透射角度色散调控和补偿机制，探索角度不敏感SPP耦合器的一般设计方法；第三，揭示旋向（极化）独立透射超构表面调控SPP传输波矢的新机理，探索传输方向可控、波矢大小可控的SPP耦合器研制方案；第四，利用高效透射梯度超构表面的反耦合效应高效调控SPP的辐射模式，进行SPP变极化辐射器、大角度辐射器以及旋向（极化）可控任意角度双波束辐射器的结构-功能一体化设计。本项目将为多模式SPP耦合器和新型SPP辐射系统的研发打下坚实的理论基础。

表面等离子激元（Surface plasmon polaritons, SPP）具有独特的电磁特性，激发了新型超构电磁器件的研究热潮。本项目围绕基于透射梯度超构表面的 SPP 激发、传输和辐射模式的高效调控展开了系统研究，取得了较好的研究成果。第一，建立了各向异性线极化/圆极化透射超构表面的高效工作机制和设计方法，为高性能SPP耦合器的设计提供了技术基础。第二，首次提出了基于各向异性透射超构表面的任意模式SPP激发机理，研制了任意极化SPP耦合器和基于偶极子阵列的极化保持SPP耦合器，解决了传统SPP耦合器工作模式单一的技术难题。第三，建立了基于线极化/圆极化透射超构表面的SPP传输方向调控方法，发明了线极化/圆极化SPP双功能集成器件，实现了不同极化的SPP信号的传输方向调控和功能集成。第四，构建了从SPP传输模式向空间波传输模式的高效转化机制，设计了基于透射超构表面的变极化SPP辐射器和大角度SPP辐射器，解决了传统相控阵天线大角度辐射时效率低的技术瓶颈问题。第五，提出了基于超构表面的色散调控和利用机理，设计了基于色散利用的宽带隐身衣、基于全局超构表面的幻觉隐身衣、多功能电磁调控器件、全空间电磁调控器等，加速了超构电磁器件的研究步伐。本项目在新型相控阵雷达、多功能系统集成以及电磁隐身等国防科技领域具有重要应用前景，为推动SPP模式的激发、传输和辐射模式调控提供了重要理论依据和技术支撑。

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