白天硕 1,2,3王莞竹 1,2,3张龙飞 1,2,4张璇如 1,2,3,4,*崔铁军 1,2,3,4,*
1 东南大学 毫米波国家重点实验室，南京 210096
2 东南大学 电磁空间科学与技术研究院，南京 210096
3 东南大学 信息科学与工程学院，南京 210096
4 东南大学 微电子学院，南京 210096
人工局域表面等离激元是一种基于表面等离激元超材料的电磁谐振模式，在微波、毫米波和太赫兹频段可实现深亚波长场束缚、高品质因子、高介电灵敏度等优异传感特性，并且与平面印刷电路工艺兼容，易于和信号检测电路、无线通信电路集成，因此在小型化便携式的物联传感领域展现出广阔的应用前景。本文重点介绍人工局域表面等离激元传感的新原理、相关技术及典型应用。在传感新原理方面，讨论了新型人工局域表面等离激元的谐振结构、电磁模式、以及涡旋波传感原理；在传感指标提升技术方面，探讨了模式间耦合和有源放大两种传感增强方法；在应用探索方面，回顾了人工局域表面等离激元在溶液浓度传感、细胞传感和力学量传感等方向的代表性工作，介绍了小型化人工局域表面等离激元传感系统的最新进展。最后，对人工局域表面等离激元传感的发展趋势进行了讨论和展望。
电磁谐振 人工局域表面等离激元 传感增强 传感灵敏度 传感系统 Electromagnetic resonances Spoof localized surface plasmons Sensing enhancements Sensing sensitivity Sensing systems 光子学报
2023, 52(10): 1052401
1 南京邮电大学 集成电路科学与工程学院，江苏 南京 210023
2 南京邮电大学 射频集成与微组装技术国家地方联合工程实验室，江苏 南京 210023
3 南京邮电大学 电子与光学工程学院，江苏 南京 210023
液晶材料在微波频段具有良好的调制特性，在微波可调谐器件领域具有巨大的应用潜力。本文针对液晶材料微波介电常数的测量需求，提出了一种基于人工局域表面等离激元谐振的传感器。通过设计环形谐振器结构，在sub-6 GHz频段形成局域表面等离激元窄带谐振峰。通过给液晶施加外加电场，能够实现对液晶介电常数的调控。通过谐振频点位置的拟合，能够得到对应的液晶的介电常数大小，从而实现液晶材料在微波频段的介电常数的测量。本文研究了不同液晶层厚度、不同液晶介电常数对人工局域表面等离激元谐振频点的影响。随着液晶层厚度增加或者液晶介电常数的减小，谐振频点f1和f2都逐渐增大。当液晶层厚度大于或等于0.5 mm时，谐振频点f1和f2随介电常数的变化具有良好的线性度，且具有高灵敏度（>400 MHz/Δε），远大于基于目前报道的其他形式介电常数传感器。同时，本传感器结构可以在液晶层上下施加电场，从而实现在不同外加电场作用下液晶材料微波介电常数的测量，在液晶微波特性研究领域具有应用潜力。
液晶 微波介电常数 传感器 人工局域表面等离激元 liquid crystals microwave dielectric constant sensor spoof localized surface plasmon
1 苏州大学物理科学与技术学院，江苏 苏州 215006
2 苏州大学教育部现代光学技术重点实验室，江苏 苏州 215006
考虑一种工作在太赫兹波段且被广泛研究的表面带有周期性亚波长金属槽人工微结构的金属圆柱，通过在部分凹槽中引入损耗，研究材料损耗对金属微结构圆柱散射特性的影响和规律。研究发现：在某一频率处，无论损耗如何改变，整体金属微结构圆柱的吸收截面始终几乎为零。散射场分布和本征模式分析表明，这一损耗无关的异常散射是由于微结构存在一个由对称性破缺导致的无损耗束缚态，该束缚态的电场主要分布在没有损耗的凹槽中，而有损耗的凹槽内基本没有电场。本研究为基于带损耗金属微结构圆柱的高性能光子器件提供了一种新的方法。
物理光学 人工局域表面等离激元 材料损耗 散射截面 损耗无关的异常散射 光学学报
2022, 42(21): 2126003
1 空军工程大学基础部物理与军用材料教研室，西安 710051
2 中国人民解放军93704部队，北京 101100
作为光频段局域表面等离激元的低频对应物，人工局域表面等离激元因其深亚波长局域场增强和高Q值谐振的特点而受到广泛关注。微波等离激元谐振器是产生人工局域表面等离激元的典型器件，其特点是具有多重离散旋转对称性和镜面反射对称性。以往的研究提出了等效媒质法和等效色散法分析微波等离激元谐振器的模式响应，但这两种方法都未能充分考虑谐振器的几何对称性从而未能全面揭示其模式特性。本文针对谐振器的几何对称性提出了群表示论方法分析其模式响应。通过对称性分析，发现谐振器的几何对称性所构成的群的不可约表示数等于谐振器所能支持的人工局域表面等离激元模式的数目。以对称性构成C7v群的谐振器为例，C7v群的5个不可约表示数对应了5种人工局域表面等离激元模式，分别为零阶模式(也即磁偶极子)、偶极子、四极子、六极子和十四极子。受限于几何对称性，谐振器将不能支持更多阶的模式。为验证群表示论方法，设计了对称性构成C7v群的微波等离激元谐振器，全波仿真结果很好地证明了上述理论。本文提出的群表示论方法也可推广到其他频段如光频，因而具有广泛的适用性。
人工局域表面等离激元 微波等离激元谐振器 对称性 群表示论 不可约表示 电磁散射 spoof localized surface plasmon microwave plasmonic resonator symmetry group representation theory irreducible representation electromagnetic scattering
1 东南大学电磁空间科学与技术研究院, 江苏 南京 210096
2 东南大学毫米波国家重点实验室, 江苏 南京 210096
以微带为代表的传统微波传输线无法精细操控电磁模式,因此传统电子信息系统在空间耦合、动态响应和性能鲁棒性等方面存在瓶颈。人工表面等离激元(SSPP)超材料可打破上述瓶颈,是光学与信息领域的研究热点之一。人工表面等离激元超材料是一类模拟光频段表面等离激元特性的新型超材料,可在微波和太赫兹频段精细操控表面波,具有与平面电路相似的构型特性,可用于制备下一代集成电路的基础传输线。人工表面等离激元分为传输型和局域型两类。传输型人工表面等离激元超材料始于三维立体结构,后发展成超薄梳状金属条带构型。学者们构建了以其为基础的微波电路新体系,研制了人工表面等离激元滤波器、天线、放大器和倍频器等典型的无源和有源器件,并将其集成为可实现亚波长间距多通道信号非视距传输的无线通信系统。人工局域表面等离激元(SLSP)超材料也经历了从三维立体构型到超薄构型的发展历程,并通过螺旋构型、链式构型、高阶模式和杂化模式等为电磁波的亚波长尺度调控提供了更多自由度。系统讨论了人工表面等离激元超材料在微波电路中的相关理论和应用,包括人工表面等离激元超材料的基本概念、构型发展、无源/有源器件以及无线通信系统。
表面光学 超材料 人工表面等离激元 人工局域表面等离激元 微波器件 无线通信系统
