超表面（Metasurfaces）是一种新型的人工金属结构材料。当前，有关超表面电磁响应的研究，主要针对单元结构的本征共振特性开展，研究单元结构内不同的局域场共振模式以及模式之间的耦合对器件透射响应的影响。而对于与周期相关的伍德异常（Wood anomaly）现象，也称为晶格模（Lattice mode），并未研究透彻，关于晶格模与表面本征共振的耦合机制的理论研究非常稀少，缺乏理论模型完整地描述超表面中晶格模与太赫兹场相互作用的机理。
近日，我校光电工程学院韩家广教授课题组针对太赫兹超表面中相位失配引发的本征模抑制效应展开了研究，首次观察到晶格模对于不同本征模的差异调制作用，从实验和理论上阐明了以上现象的物理机理。相关成果在中科院二区期刊《Optics Express》（影响因子3.894）上发表了题为“Phase mismatch induced suppression of eigenmode resonance in terahertz metasurfaces”的论文。该论文由张文涛教授（通信作者）、黄巍博士（通信作者）指导，银珊博士（第一作者）指导研究生曾德辉（第二作者）完成。
图1(a)超表面结构示意图；(b)-(e)超表面显微镜实物图
图2(a)-(b)不同周期的超表面透射谱；(c)谐振峰Q值和损耗；(d)Fano模型拟合结果
文中设计了U形超表面（图1），针对太赫兹超表面电磁响应中的晶格模开展了理论、仿真和实验研究。采用太赫兹时域光谱系统对超表面进行透射测量；通过改变超表面的周期或入射角来调整晶格模式的频率，观察到晶格引发的本征模抑制效应，即如图2(a-b)所示，当晶格模频率低于共振峰B时，B峰被明显抑制。利用Fano模型分析超表面晶格模对透射响应的影响，通过提取损耗分析谐振抑制的物理机制，如图2(c-d)所示。通过在超表面中引入相邻结构中的相位差(如图3所示)，阐明了抑制的特殊现象是由于超表面相邻单元之间的相位不匹配所导致，相位失配增加了本征模的辐射损耗，从而减弱了高阶本征共振峰的强度，表现出明显的抑制效应。
图3通过(a)改变衬底厚度和(c)旋转U形结构引入相邻单元的相位差；(b,d)对应结构的透射谱
该研究揭示了超表面中晶格模对本征模谐振调制的本质原因，探明了超表面中晶格模与本征谐振模式相互作用的电磁响应机理。对于提高太赫兹探测技术的精确度，促进太赫兹光谱技术在物质检测、生物传感和太赫兹通信中的应用具有重要意义。
该研究工作得到了国家自然科学基金的资助。
文章链接：https://doi.org/10.1364/OE.452001