一、导读

多表面等离子体模式的结合为太赫兹超材料实现宽带滤波提供了可能性，在太赫兹器件中具有巨大的应用潜力，包括通信系统中的小型化光谱仪、高光谱成像仪和光开关等等。然而，由于无法在有限空间内堆叠无限数量的谐振结构，因此难以进一步扩大带宽范围并用于实际应用。

2023年9月，福建省太赫兹功能器件与智能传感重点实验室在《Optics and Laser Technology》发表了题为“Manipulating multiple plasmon modes by coupling fields for broadband filtering in terahertz metamaterials”的文章。该论文将两种表面等离子体的强耦合作用和两层超材料之间的远场干涉效应相结合，提出了一种在太赫兹频段实现宽带滤波的方法，并逐一通过模拟、理论、实验进行验证。福建省太赫兹功能器件与智能传感重点实验室2022级博士研究生曾秋铭为本论文的第一作者，重点实验室主任钟舜聪教授和实验室黄异老师是本文的共同通讯作者。

二、内容简介

（1）近场强耦合作用的理论及实验验证

本研究提出具有混合结构（hybrid structures，简称HS）的超材料阵列能够激发多个局域表面等离子体共振的强耦合作用，并在透射谱中产生两个透射峰及拉比分裂。超材料的结构示意图，单元结构参数变化对强耦合作用的影响如Figure 1-Figure 3所示。

Figure 1. Illustration of the proposed THz metamaterial. (a) Schematic diagram of the HS metamaterial. (b) Image of the HS metamaterial fabricated by the femtosecond laser direct writing technology. (c, d) Optical microscopy imaging of the fabricated metamaterials and its partial enlarged drawing.

Figure 2. Numerical transmission spectra in two different HS as a function of the length of RHs and the frequency.

Figure 3. Measured transmission spectra and their simulation results.

（2）远场干涉效应

为了改善滤波性能，本研究引入了两层相同的超材料在空间中构造出一个法布里珀罗腔体。入射波在腔体中产生的远场干涉效应能够增强非共振峰处的幅值强度，并且能够与之耦合形成一个具有更高滚降系数的宽带。此外，通过与近场强耦合的联合控制，能够实现双宽带到单宽带的转变，其理论及实验结果如Figure 4所示。

Figure 4. (a) Schematic view of the far-field interference system. (b) The simulated transmission spectra for the single-layer and double-layer HS. (c) Comparison of theoretical curves with simulated and experimental transmission spectra. (d) Simulated transmission contour plots at different distance. (e) Simulated transmission contour plots at different distance. (f) Theoretical, experimental, and simulated curves of bilayer HS.

三、总结

论文将多个表面等离子体模式之间的强耦合作用和两层超材料之间的干涉效应相结合，通过理论分析和实验验证，所提出的超材料结构产生的宽带滤波范围最高达到0.63 THz。强耦合和远场干涉的结合扩大了双层超材料的透射范围，并进一步增强了其宽带滤波能力，这种控制多模表面等离子体耦合的独特方式能够更加便利地实现宽带滤波。此外，论文中设计的超材料均采用飞秒激光直写技术制备而成，与传统的光刻加工不同，飞秒激光无需衬底并且能够直接在材料上烧蚀制造所需结构，避免了衬底所带来的损耗。

原文链接：DOI: 10.1016/j.optlastec.2023.109981