太赫兹表面等离子体波研究综述：从基础特性到前沿应用

作者及机构
本综述由Xueqian Zhang、Quan Xu（通讯作者）、Lingbo Xia等来自天津大学精密仪器与光电子工程学院太赫兹波研究中心（中国）的团队，以及Oklahoma State University的Weili Zhang（通讯作者）合作完成，发表于2020年1月的《Advanced Photonics》期刊（DOI: 10.¹¹¹⁷⁄₁.AP.2.1.014001）。

研究背景与主题

太赫兹（THz，0.1–10 THz）波因其独特的分子指纹谱特性，在生物传感、无损检测、高速通信等领域具有重要应用潜力。然而，传统太赫兹系统体积庞大，且自由空间传播的THz波与微量分析物相互作用有限。表面等离子体波（Surface Plasmonic Waves, SPWs）通过将电磁场局域在金属-介质界面，为集成化太赫兹器件提供了可能。早期研究认为太赫兹SPWs存在高度离域化（delocalized）问题，但近年研究表明，通过设计表面结构、材料或形状，可有效调控其局域性和传播行为。本文系统综述了太赫兹SPWs在不同载体上的特性、激发与检测方法、基于超表面的操控技术，以及实际应用进展。

核心内容与主要观点

1. 太赫兹SPWs的传播特性

载体类型与调控机制：
- 裸金属表面：SPWs波矢（kspw）接近自由空间波矢（k0），导致场穿透深度大（如0.4 THz时铝-空气界面穿透深度达21.5 cm），传播长度可达数百米，但实际受表面粗糙度限制缩短至厘米级。
- 涂层金属表面：覆盖介电薄膜（如厚度λ/50）可将场局域性提高200倍，通过调节膜厚可控制相位/群速度色散，适用于传感应用。
- 平面古堡线（Planar Goubau Lines, PGLs）：基于准TM模式，宽度可微米级（如2 μm宽PGL在0.14–0.22 THz下局域场约100 μm），但基底模式会增加传播损耗。
- 纹理化金属表面：通过亚波长孔洞或凹槽结构设计“仿生SPPs（spoof SPPs）”，其波矢（ksspp）可通过几何参数调控，实现强局域（如铜表面周期方孔结构在带边处传播长度约5 cm）。
- 半导体/超导体/石墨烯表面：掺杂半导体（如硅）通过载流子浓度调控SPWs；超导体（如YBa₂Cu₃O₇）在约瑟夫森等离子体频率以下支持表面约瑟夫森等离子体波（SJPWs）；石墨烯单层或双层的SPWs可通过化学势调节场局域性。

理论模拟：
作者通过本征模式仿真对比了不同载体下SPWs的电场分布（Ez）和色散关系（图1），证实纹理化表面和PGLs可实现更强的场约束和可调谐性。

2. 太赫兹SPWs的激发与检测技术

激发方法：
- 边缘散射法：利用刀片边缘散射自由空间THz波，产生宽谱SPWs（如金膜覆盖介电层实验，图2a）。
- 波导耦合：平行板波导或共面波导通过模式匹配转换TEM模为SPWs（如铝表面实验，耦合效率依赖波导开口渐变设计）。
- 棱镜耦合：硅棱镜通过全反射产生倏逝波，匹配SPWs动量（如Otto棱镜配置用于激发仿生SPPs，图2c）。
- 光栅耦合：金属狭缝光栅提供倒格矢（g=2mπ/p），实现窄带SPWs激发（如金属柱波导实验，图2d）。
- 直接激发：集成光电导天线或电子束直接激发金属线或PGLs上的SPWs（如铜线锥形尖端耦合实验，图2e）。

检测技术：
- 间接检测：通过刀片散射将SPWs转换为自由空间波，测量场衰减或色散（如穿透深度拟合）。
- 直接检测：近场扫描太赫兹显微镜（如ZnTe电光晶体探针）可三维映射SPWs场分布（图3），空间分辨率达亚波长级。

3. 超表面对太赫兹SPWs的操控

通过亚波长狭缝谐振器（Slit Resonators, SRs）阵列设计超表面，实现SPWs的相位/振幅调控：
- 手性控制：SR对（间距λspw/4）在圆偏振光下实现单向激发（图4e），用于偏振分析器（图4d）。
- 轨道角动量调控：SR对阵列结合几何相位与传播相位，生成SPWs涡旋场（图4f-g）。
- 耦合谐振器对：亮-暗模式耦合（如SR与裂环SR组合）实现非对称激发（图4j-k），或镜像对称结构实现四阶偏振控制（图4l-m）。

4. 太赫兹SPWs的应用进展

• 金属线内窥镜：双线耦合系统用于远程THz检测（图5a）。
  
• 波导与路由：金属柱阵列或PGLs实现低损耗（<0.03 cm⁻¹）导波和分束器（图5a）。
  
• 超聚焦与传感：渐变凹槽金属线实现亚波长聚焦（场增强10倍，图5b-c）；PGLs包裹毛细管可检测液体折射率（图5h）。
  
• 主动调控：光泵浦硅孔阵列实现SPWs与光子晶体模式的切换（图5f-g），超导材料在临界温度下调控异常透射（EOT）。
  

研究意义与价值

1. 科学价值：系统总结了太赫兹SPWs的局域化调控机制，填补了光学与微波频段间等离子体研究的空白。
   
2. 技术突破：超表面操控和近场检测技术为集成化太赫兹器件（如通信芯片、传感器）提供了新范式。
   
3. 应用前景：在生物医学（如痕量分子检测）、6G通信（高速调制）、安全成像（如隐蔽物识别）等领域具有潜力。
   

亮点：
- 首次全面对比五类载体下SPWs的色散与局域性。
- 提出基于SR对的圆偏振依赖SPWs激发方法，突破传统动量匹配限制。
- 实验验证纹理化表面在THz频段的“仿生SPPs”可行性，为低频等离子体研究提供新平台。

未来方向：
作者建议探索拓扑光子学与太赫兹SPWs的结合，利用单向表面态提升器件鲁棒性，并开发基于石墨烯/超导体的动态调控器件。