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电磁感应极化转化（2012）

摘要：

文章研究了在同一平面超材料中共存的两个极化选择性等离子体共振之间的干扰引起的电磁感应的透明性和极化转换。超表面代表在同一基质上结合的两个拓扑（topologically）不同的大分子（metamolecule）的周期性阵列：

1）：连接到电线并支持辐射耦合到X极化的高Q谐振的单极天线（monopole antennas）

2）:耦合到y极化支持低Q谐振的偶极天线（dipolar antennas）。

由于这些模式之间的相互作用是通过大分子之间的电容耦合（capacitive coupling）可以观察到圆极化电磁感应透明（EIT），从而获得高效的超薄四分之一波片。

1.Introduction

近年来，由于等离子体超材料在光学领域的巨大应用前景，人们对其产生了浓厚的兴趣。金属材料所带来的主要优势在于这些人工电磁结构的独特光学特性，而这些人工电磁结构在其自然存在的对应结构中是不可用的。这些优点中包括模式的寿命长和由于强场限制而可实现的高电磁能量密度，并因此显著增强了光与物质的相互作用。在这种情况下，非对称Fano共振亚表面通过实现超灵敏气体传感[5]、生物传感[6]、宽带慢光[7]和其他应用而具有巨大的前景[1–4]。另一方面，这种亚表面的不对称性赋予了它们独特的偏振特性；它使偏振相关响应[7]和偏振转换[8–C10]成为可能，据我们所知，这还没有在Fano共振的背景下进行过研究。在实际应用中，用超薄的亚表面来代替笨重的波片来转换光的偏振态是非常有吸引力的。在太赫兹波段工作的高效频率选择表面最近被引入偏振转换领域[9]。最近还提出了基于互补（多孔(holey)）超材料的深等离激元态的可见光线性至圆偏振转换器[10]。由于电磁感应透明（EIT）的等离子体模拟（plasmonic analog），Fano共振结构对偏振转换应用很有兴趣[11,12,4]，在常规（非EIT）超表面中，共振模式的激发会导致光的强烈反射，并伴有透射率的显着降低。在具有EIT的法诺（Fano）共振超表面中，人们可以克服这一局限性并提高传输速度。在这里，我们采用这种方法，并设计了一个在中红外频率范围内工作的等离子超表面，该表面呈现出线性到圆偏振转换，透射率达到40％。所提出的偏振转换方法的好处之一是光谱选择性，这是由于与其他金属表面设计相反，发生偏振转换的EIT峰被低透射区包围。因此，该结构自然地切断了没有发生偏振转换或效率不高的那些光谱区域。

本文介绍了一种非对称亚表面的新设计，并研究了它的光学响应，包括EIT区的光学活性。利用COMSOL多物理方法进行了数值模拟。对于金属（银）的介电常数，使用德鲁德模型，参数取自参考文献[13]：

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其中，ε∞=3.7，等离子体频率为ωp=13.673×1015rad/s，阻尼频率为γ=2.735×1012rad/s。图1a所示的结构示意性地表示垂直线的周期性阵列，所附长度为lM的水平单极子天线（horizontal monopole antennas）与长度为lD的断开垂直偶极子天线（vertical dipole antennas）相互作用。垂直线对于与其相连的单极天线起着“接地板”的作用（图1b）。所得到的结构对x-和y-极化都显示出共振响应。特别的，垂直偶极天线在波长λD处为y极化入射光提供低质量（Q~5）共振。对于x极化，该结构在λM给定的波长处呈现单极共振（monopolar resonance），后者的品质因数Q~15相对双极共振而言较高，其寿命主要由x偏振光的辐射耦合决定。在y极化照明下 内容过长，仅展示头部和尾部部分文字预览，全文请查看图片预览。 cules）的结构。两个独立共振的存在使结构高度可调，并能够控制共振的频谱位置和品质因数。结果表明，通过匹配共振频率，同时赋予它们不同的寿命（disparate lifetimes），可以实现类似EIT的响应。共振及其极化选择性之间的相互作用使得椭圆度超过0.80的近似圆极化EIT的总传输率超过40％。由于在相同频率范围内的EIT共振和偏振转换的性质而具有高透射率，尽管（albeit）与大体积的四分之一波片相反，该结构是线性偏振到圆偏振光的出色偏振转换器，尽管它是亚波长厚的结构。我们相信具有Fano和EIT共振的不对称超颖表面将为需要极化转换的众多应用打开新的途径（new avenues）。

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