电容性和电感性太赫兹超表面的模态特性与反射特性

《Advanced Optical Materials》：Modal and Reflective Properties of Capacitive and Inductive Terahertz Metasurfaces

本文系统研究了亚波长金属贴片和条带光栅超表面在接地介质基板上的Gires-Tournois étalon效应，揭示了漏模共振、等离子体共振及连续谱束缚态的物理机制，提出基于漏模频率偏移的等效电抗测量新方法，并通过太赫兹时域光谱实验验证了理论模型和数值模拟的准确性，为太赫兹器件设计提供了参考。

　　本研究聚焦于一种简单的金属贴片和条带结构的亚波长晶格，探讨其在形成Gires–Tournois（GT）谐振腔时所表现出的多种物理现象。这些现象包括“泄漏模式”、“等离子体模式”、“连续谱中的束缚态”以及“Fabry–Perot（FP）谐振频率的偏移”。通过统一且严谨的电磁理论框架，研究者系统地分析了这些现象之间的微妙联系及其物理意义。此外，还设计并制作了多种具有电容或电感特性的超表面，并通过太赫兹时域光谱技术（THz TDS-R）验证了其反射特性。研究中还提出了一种新颖的测量方法，利用泄漏谐振频率的偏移来确定超表面的面阻抗。同时，定义了一个灵敏度指标，用于定量评估该方法的准确性。这些成果有望为基于超表面的设备设计提供参考，如吸收器、天线、滤波器和传感器，这些设备在新兴的跨学科太赫兹应用中发挥着重要作用，例如安全检测和下一代无线通信。

研究发现，即使是最简单的超表面结构，其在电容或电感模式下也能够展现出丰富的光与物质相互作用，涵盖从泄漏模式到等离子体模式，以及“线波”现象。这种多样性主要源于超表面的结构特性及其对电磁波的响应方式。对于由标准几何形状（如正方形贴片或条带栅格）组成的超表面，在均质化区域（即周期远小于工作波长，p ? λ?）中，其主要表现出电容或电感特性。研究进一步指出，这种结构的反射特性在不同频率和入射角度下具有显著的依赖性，尤其是在非正常入射条件下，其角响应选择性将对某些模式的传播产生重要影响。

为系统研究这些现象，研究者设计了一组包含八种电容型和八种电感型超表面的结构，它们由不同尺寸的正方形贴片和条带栅格构成。这些结构被加工在500微米厚的石英基底上，基底底部完全覆盖300纳米厚的铝层，而顶部则根据设计参数布置了不同尺寸的金属结构。研究者通过理论分析和数值模拟对这些结构的反射特性进行了研究，并将其与实验测量结果进行了对比。实验结果显示，对于高反射率的超表面，测量与理论模拟之间的吻合度非常高。此外，研究者还提出了一种基于泄漏谐振频率偏移的新型测量方法，用于确定均质化超表面的面阻抗。该方法的准确性通过实验验证，而其灵敏度则通过一个简洁的解析表达式进行量化评估。

研究中还讨论了超表面在不同频率下的频率色散特性。通过图示展示，研究者发现，当频率升高时，超表面的电磁响应不再仅仅由简单的电容或电感模型描述。在电容型超表面中，全波模拟结果显示了在高频下出现的共振行为，而这一现象在均质化公式中并未体现。相比之下，电感型超表面并未表现出类似的共振。这一现象与电容型和电感型超表面中分别存在的TE（横电）和TM（横磁）等离子体模式密切相关。等离子体模式由于其缓慢传播的特性，通常无法直接与自由空间的平面波耦合，除非超表面具有类似衍射光栅的结构，从而使得其能够支持更高阶的Floquet谐波波。在本研究中，当频率超过0.5 THz时，超表面的周期（200微米）接近工作波长的一半，从而导致等离子体模式能够通过高阶Floquet谐波波与自由空间辐射耦合。

在分析泄漏模式和等离子体模式的相互作用时，研究者发现，这两种模式在特定条件下会发生耦合。例如，在TM极化的情况下，等离子体模式会在大角度入射时与n=4阶的泄漏模式发生融合，从而改变其角频率分布。这种耦合现象仅在高频和大角度入射条件下出现，且其表现强烈依赖于结构设计和几何参数。研究还指出，当入射角接近0°时，泄漏模式的频率偏移趋于对称，而在更高阶的谐振中，电感型超表面的频率偏移更大，而电容型超表面的频率偏移则相对较小。这种现象反映了电容和电感超表面在频率色散方面的不同行为：电容型超表面的反射率随频率增加而提高，而电感型超表面的反射率则随频率增加而降低。

为了验证上述理论分析，研究者采用THz时域光谱技术对这些超表面进行了实验测量。实验过程中，使用了TeraFlash Pro系统，并通过一系列步骤获取反射系数数据。首先，测量参考金属板的反射系数，然后通过分析裸石英基底的反射系数来确定其复介电常数。最后，通过对比测量结果与理论模拟，验证了超表面的反射特性。研究发现，测量结果与理论预测高度一致，尤其是在高反射率的结构中。然而，在某些高频情况下，由于均质化公式在高频下的准确性有所下降，测量与模拟之间的差异会增加。

为了进一步评估该测量方法的准确性，研究者定义了一个灵敏度指标，并通过实验数据验证了其有效性。该指标与面阻抗的频率偏移有关，且不受系统噪声的影响，仅取决于频率分辨率。研究指出，该方法在低面阻抗值（如60Ω）下具有较高的灵敏度，约为0.2 GHzΩ?1，这意味着即使在较宽的频率范围内，也能实现较高的测量精度。此外，研究还提出了一种基于反射系数拟合的测量方法，以确定面阻抗的具体值。该方法通过将理论反射系数与实验测量结果进行比较，从而优化面阻抗的估计值。最终的拟合结果与理论模拟高度一致，进一步验证了该方法的可靠性和适用性。

本研究不仅揭示了超表面在太赫兹波段的复杂行为，还提出了一种新的无接触测量技术，能够通过频率偏移特性对超表面进行有效表征。该技术有望在未来的太赫兹设备设计和应用中发挥重要作用，尤其是在需要精确控制电磁响应的领域。此外，研究还为理解超表面在不同频率和入射条件下的行为提供了理论支持，并展示了其在实际工程中的应用潜力。通过理论分析、数值模拟和实验测量的结合，研究者不仅验证了这些物理现象的存在，还进一步明确了其与超表面结构参数之间的关系，为未来的设计和优化提供了坚实的理论基础。