利用3D设计等离子体的激元耦合增强超材料的光学激发效率 前言：在等离子体的研究领域中，光和纳米结构材料之间的相互作用开辟了增强光学现象的新途径，近年来，因为表面等离子体激元（SPP）是由金属-电介质界面上集体振荡产生的，所以在操纵光学现方面具备深远的应用潜力，然而，传统的SPP表现出了不可忽视的限制，它们的有效激发主要局限在横向磁 (TM) 偏振入射方面。 这种限制促使我们寻求创新的解决方案，实现横向电 (TE) 偏振光与等离子体模式的高效宽带耦合，在这种大背景下，等离子体超材料的出现让人眼前一亮，我们可以通过巧妙地设计这些超材料的亚波长结构和几何形状，克服SPP固有的偏振限制，并实现有效的TE与等离子体激元耦合。 这次我们将深入研究三维（3D）设计等离子体超材料研究领域，探索它在提高光学激发效率方面的潜力。 在实验开始时，我们在等离子体场的环境下，发现表面等离子体激元（SPP）的性质显示出了一个有趣的限制，当入射光沿横磁 (TM) 方向偏振时，这些SPP表现出有效的激发，这意味着对于非偏振光，携带横向电（TE）偏振的能量的一半无法被有效利用。 换句话来说，偏振出现了类似于等离子体激元或欺骗等离子体激元的概念，这些概念在本质上是金属表面上的等离子体的波，它们可以由完美导体组成的周期性结构支持。 同时，3D设计等离子激元依赖于纹理表面内的模式（消失或传播），这些模式会根据类型具有不同的属性而变化，在很大程度提供了足够的灵活性，并且可以产生以极高波矢量为特征的表面模式。 这些3D设计的等离子体激元的起源可以归因于这样的原理，纹理表面可以被认为是施加有效的表面阻抗，它可以通过设计结构本身的几何参数来控制，比如说它的周期性、占空比和金属特征的厚度。 在一定频率范围内，尤其是太赫兹和微波范围内，3D设计的等离子体超材料已经被我们用来实现各种结果，其中包括波导、聚焦，甚至是引导微波中慢波特性的控制。 可尽管如此，我们依旧需要注意，就像光学系统中金属表面上的天然SPP一样，这些3D设计的等离子体激元本质上仍然受到TM偏振的限制，这意味着迄今为止我们仅成功推演了TM激发。 这些偏振限制是由于金属的等离子体特性与纹理表面的结构特征，所产生的特性之间潜在的相互作用而产生的，这些电磁现象的相互作用为SPP的传播提供了相当大的自由度，包括设计由TE极化驱动的SPP的可能性，这将弥补我们刚才所提到的TM偏振激发限制。 关键的一点在于，我们在实验中设计的等离子体超材料由周期性排列的金(Au)条纹组成，如图1所示，与专注2D配置的研究不同，我们当前的研究更专注在光学范围上，而且入射波的特点是非零方位角和仰角，因此需要全面的三维(3D)分析和理解。 在Au条纹组成的超材料中，顶面和底面之间的空间充当金属-绝缘体-金属(MIM)等离子体传输线阵列，这些传输线支持垂直传播的等离子体布洛赫模式，由于传播属于 3D 性质，这些模式在本质上是混合的，包含横向磁 (TM) 和横向电 (TE) 极化分量，为了满足超材料顶面和底面的边界条件，向上和向下传播的模式组合是必要的。 鉴于Au金属条的宽度极窄（趋肤深度），不同MIM传输线中的等离子体模式并不是独立的，周期性电势的引入导致了等离激元布洛赫模式在周期性传输线阵列上的集体振荡。 值得注意的是，我们这次实验支持的 Bloch 模式表现出了混合性质，这显现出了模式重叠的优势，这种重叠弥合了TE入射和激发的表面等离子体 (SP) 波之间的间隙，因此，在3D设计的等离子体超材料中建立了明显增强的TE与等离子体激元耦合，这种创新的耦合机制，是在光学领域实现高效TE到等离子体激元转换法的关键组成部分。 结论：在这次实验的3D设计中，超材料的顶部和底部表面充当了MIM等离子的体传输线阵列，支持结合了TM和TE组件的布洛赫模式，这种混合是由各种MIM传输线中的模式相互作用产生的等离子体激元耦合。 通过利用3D设计等离子体超材料，我们克服TM偏振的传统界限，释放了定制光学功能的潜力，可以预见的是，超材料的应用范围将从等离子体辅助光伏，发展到新的纳米光子器件中。
