[发明专利]一种高效太赫兹人工表面等离激元定向耦合器及耦合方法

权利要求书

1.一种高效太赫兹人工表面等离激元定向耦合器，其特征在于，所述定向耦合器包括：金属圆柱周期阵列和SSP波导；其中，所述SSP波导具有周期结构；在SSP波导的上表面之上设置金属圆柱周期阵列，所述金属圆柱周期阵列包括多根互相平行的周期性排列的金属圆柱，多根金属圆柱的轴线所在平面平行于SSP波导的表面，金属圆柱的轴线平行于SSP波导的周期结构；所述金属圆柱周期阵列的周期为L，金属圆柱的半径为R，金属圆柱周期阵列与SSP波导之间的距离为a；太赫兹波为TM极化，太赫兹波与金属圆柱周期阵列的夹角为θ，夹角θ为在与金属圆柱垂直的平面内太赫兹波与SSP波导表面的夹角；当太赫兹波入射到金属圆柱周期阵列上，太赫兹波在金属圆柱上发生透射和反射，反射的太赫兹波到自由空间消耗掉，对于透射的太赫兹波，由于金属圆柱的周期性排列，产生频谱折叠效应，透射的太赫兹波产生丰富的空间谐波，当n阶空间谐波的切向波矢满足SSP波矢匹配条件时，在SSP波导的表面耦合出在SSP波导表面传输的SSP模式；SSP沿夹角θ为锐角的方向定向传播，实现自由空间波束到SSP模式高效定向耦合；并且匹配的SSP模式的切向波矢随着夹角的改变而改变，通过调节夹角，调节工作频率，从而通过太赫兹波与金属圆柱周期阵列的夹角扫描实现定向耦合器的宽带工作。

2.如权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，所述SSP波导采用金属光栅、多米诺结构、v型周期凹槽和谐振型超表面结构中的一种。

3.如权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，所述SSP波导的上表面与金属圆柱周期阵列的中心的距离a为0.54π/k_s～0.63π/k_s，k_s为SSP模式的切向波矢。

4.如权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，根据波矢匹配条件k_s＝k₀cosθ+2nπ/L，确定金属圆柱周期阵列的周期L；金属圆柱的半径R为0.25L～0.35L，k_s为SSP模式的切向波矢，k₀为太赫兹波的自由空间波矢。

5.如权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，所述金属圆柱周期阵列中金属圆柱的数目为2(w/L-1)～2(w/L+1)，入射的太赫兹波为高斯波束，w为高斯波束的腰宽。

6.一种如权利要求1所述的高效太赫兹人工表面等离激元定向耦合器的定向耦合方法，其特征在于，所述定向耦合方法：

1)提供SSP波导，SSP波导具有周期结构，根据SSP波导的参数，确定SSP模式的切向波矢；

2)在SSP波导的上表面之上设置金属圆柱周期阵列，金属圆柱周期阵列包括多根互相平行的周期性排列的金属圆柱，多根金属圆柱的轴线所在平面平行于SSP波导的表面，金属圆柱的轴线平行于SSP波导的周期结构；金属圆柱周期阵列的周期为L，金属圆柱的半径为R，金属圆柱周期阵列与SSP波导之间的距离为a；

3)太赫兹波与金属圆柱周期阵列的夹角为θ，夹角θ为在与金属圆柱垂直的平面内太赫兹波与SSP波导的夹角；

4)当太赫兹波入射到金属圆柱周期阵列上，太赫兹波在金属圆柱上发生透射和反射，反射的太赫兹波到自由空间消耗掉，对于透射的太赫兹波，由于金属圆柱的周期性排列，产生频谱折叠效应，透射的太赫兹波产生丰富的空间谐波，当n阶空间谐波的切向波矢满足SSP波矢匹配条件时，在SSP波导的表面耦合出在SSP波导表面传输的SSP模式；

5)SSP沿夹角θ为锐角的方向定向传播，实现自由空间波束到SSP模式高效定向耦合；

6)并且SSP模式的切向波矢随着夹角的改变而改变，通过调节夹角，调节工作频率，从而通过太赫兹波与金属圆柱周期阵列的夹角扫描实现定向耦合器的宽带工作。

7.如权利要求6所述的定向耦合方法，其特征在于，在步骤1)中，SSP波导采用金属光栅、多米诺结构、v型周期凹槽和谐振型超表面结构中的一种；根据SSP波导的参数，确定SSP模式的切向波矢k_s。