超材料前沿交叉科学：人工表面等离激元色散调控及应用

道生一，一生二，二生三，三生万物。

——老子

表面等离激元(surface plasmon polariton, SPP)是电磁振荡与材料中电子振荡强烈耦合产生的、高度局域化在两种介质界面上的混合电磁模，其电磁场集中分布在界面附近，并沿界面两侧法向呈指数衰减。例如，对于金属与空气界面激发的表面等离激元模式，在空气侧表现为沿着金属表面传播的表面波，在金属侧则表现为电子密度波。表面等离激元的激发要求界面两侧介质具有正负相反的本构电磁参数(介电常量或磁导率)。但是，大部分情况下自然材料的本构电磁参数为正，仅有少部分自然材料在红外/光频段具有可资利用的负电磁参数。例如，金、银、铜等金属材料在光频段具有负介电常量，碳化硅在中红外频段具有负介电常量，等等。所以，采用自然材料一般在红外/光频段能够高效激发表面等离激元模式，很难在微波、毫米波、太赫兹等更低频段实现表面等离激元模式的高效激发。

▲ SSPP 传播示意图

2004 年，Pendry 等在微波波段验证了周期性金属结构支持电磁特性类似于表面等离激元的模式，被称作人工表面等离激元(spoof surface plasmon polariton, SSPP)，开启了SSPP 研究的大门。SSPP 是在微波、毫米波、太赫兹等更低频段(本书聚焦于微波波段)利用人工结构功能材料(例如，电磁超材料、电磁超表面、结构化金属表面等)激发的类SPP 模式，其波矢远大于自由空间波的波矢，且随着频率增大，其波矢越来越远离自由空间波矢，色散曲线具有高频渐近截止特性。由于其色散特性可通过金属或介质结构的结构参数、空间排布、周期大小等进行调控，无须改变其材料的本征电磁参数，因此SSPP 具有灵活可设计的色散特性，在天线、新型功能器件、雷达吸波结构、实时模拟信号处理等诸多领域具有广阔的应用前景。相对于传统电磁材料，SSPP 结构具有体积小、重量轻、厚度薄等优点，可提高器件集成化、小型化、轻薄化程度，成为当今国际学术热点和技术研究前沿。

▲ 人工表面等离激元的色散曲线

超材料（ Metamaterials ）开启了人们通过人工微结构及其空间序构对电磁波等进行操控的大门。在超材料研究初期，研究者们的精力主要集中在通过人工微结构实现负折射率、负磁导率/介电常量、近零折射率、近零磁导率/介电常量等奇异的宏观电磁参数。在这个阶段，人们往往更加关注人工微结构的尺度是否达到了超材料的阈值条件，即其尺度是否远小于工作波长，从而满足准静态条件，以便用等效媒质理论对其宏观电磁特性进行描述。

随着研究的不断深入，对超材料的研究也从直观的人工微结构形态，不断深入到这些人工微结构中的特殊电磁模式，例如，金属开口谐振环(典型的磁谐振器)中可用磁偶极子等效的单电流环模式、电谐振器中可用电偶极子等效的镜像对称双电流环模式、高介陶瓷块中各种谐振腔模式等。对这些超材料微结构单元中特殊电磁模式的研究加深了人们对超材料特殊电磁性质的理解，并进一步推动了电磁超材料设计理论的发展。人们意识到，这些亚波长的超材料结构中必然存在着亚波长的电磁模式，使得电磁超材料可以和电磁波发生强烈的相互作用。

与此同时，原本在光频段的表面等离激元概念也借助于光栅、二维孔隙等结构化金属表面不断向微波、毫米波等更低频段拓展，表面等离激元研究开始关注比光栅等更加复杂的结构化金属表面，这使得表面等离激元这一特殊的电磁模式有了更加丰富的材料载体，而不再仅仅局限于光栅等简单的耦合激发结构。人们意识到，通过一些精心设计的金属结构及其空间序列排布，可以更加方便、高效地激发类似于表面等离激元类的电磁模式，从而衍生出人工表面等离激元这一概念。可以这样说，人工表面等离激元是表面等离激元由单纯地关注电磁模式向更加关注人工微结构研究阶段转变的必然产物。

▲ 基于电诱导SSPP 的波形调制器：(a)原理样件；(b)测试环境；(c)仿真与实验结果透射率对比；(d)9.45～9.55GHz 的群延迟时间；(e)输入信号与透射信号波形图；(f)匹配结果

直至2010 年左右，人工表面等离激元和电磁超材料密切交叉融合，尤其是2011 年电磁超表面的出现，使得对入射角、频率、材料电磁参数等高度敏感的人工表面等离激元的激发和操控更为简便容易，通过反射型、透射型超表面均可以高效激发人工表面等离激元模式，无须借助体积笨重的棱镜等。特别地，2014年，崔铁军院士团队提出了以共面波导作为过渡段的金属锯齿结构，可在超宽频段内实现人工表面等离激元模式的高效耦合激发以及传输操控；2016 年，空军工程大学屈绍波教授团队又提出了可将自由空间波高效耦合为人工表面等离激元模式的金属鱼骨结构，并通过这一结构的传输相位空间分布设计，实现了光栅结构上表面波的宽带耦合激发。电磁超材料和电磁超表面的研究成果极大地推动了人工表面等离激元在微波、毫米波等低频段的飞速发展，涌现出了基于人工表面等离激元的宽带吸波结构、宽带环行器、小型化滤波器、低雷达散射截面(radar cross section, RCS)天线、带外吸波隐身天线罩、时域波形调制器等各种新型功能器件。可以说，电磁超材料和电磁超表面为人工表面等离激元这一特殊电磁模式在微波频段得以应用提供了丰富灵活的现实材料载体，极大地推动了人工表面等离激元在电磁场与微波技术等领域的应用。

▲ 人工表面等离激元色散调控在隐身技术中的应用

人工表面等离激元具有波长短、色散特性丰富等特点，在雷达隐身、天线/天线罩、实时模拟信号处理、小型化微波器件/微波电路等方面具有十分重要的应用前景。目前，国内在人工表面等离激元方面处于国际领先的研究地位，空军工程大学、东南大学、复旦大学、南京大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学等高校在人工表面等离激元基础研究方面取得了丰硕的研究成果，科技管理机构、科研院所和产业化企业等也对人工表面等离激元技术给予了高度关注。但是，目前国内仍没有专业的人工表面等离激元相关书籍，非常有必要出版一部有关人工表面等离激元的专著，一方面为高等院校相关专业开设高年级本科生和研究生课程提供参考书目，以解决燃眉之急；另一方面丰富我国超材料研究的理论体系，让有志于超材料研究的研究者从入门伊始即关注到人工表面等离激元这一重要的电磁模式。

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《人工表面等离激元色散调控及应用》（王甲富等著．北京：龙门书局，2024.3）一书是作者团队十余年来在人工表面等离激元领域研究的成果总结和梳理，在系统介绍人工表面等离激元的基本概念、发展历史脉络、人工表面等离激元与超材料的关系等的基础上，由人工表面等离激元丰富的色散特性引出了人工表面等离激元色散调控这一概念，并详细介绍了人工表面等离激元色散调控在消色差电磁功能器件、电磁增透、电磁调制器件、小型化微波器件、吸波结构、频率选择结构、时域波形调制等的应用。本书可作为电子科学与技术等学科专业的高年级本科生、研究生的教学参考书，也可供科研院所雷达、通信、隐身、系统总体或者飞行器总体、材料等专业技术人员参考。

作者简介

王甲富

教授，博导，省重点实验室主任、军队学科拔尖人才，享受国务院政府特殊津贴；获教育部自然科学一等奖、陕西省自然科学二等奖等。国家重点研发计划、×××计划重点项目首席科学家，发表SCI论文400余篇，H因子54。授权发明专利47项、软著14项。

李勇峰

副教授，博导，中科协青年人才托举对象，军队科技创新青年英才，获陕西省自然科学二等奖1项。主持国家自然科学基金、重点研发计划子课题等10项，发表SCI论文60余篇，授权发明专利11项。

屈绍波

教授，博导，全国模范教师，全国优秀博士学位论文指导教师，从事物理教学及人工结构功能材料研究。主持国家自然科学基金重点项目、工程应用等多项课题，发表SCI检索论文300多篇，出版专著2部。

马华

教授，博导，军队学科拔尖人才、教育部新世纪优秀创新人才，享受国务院政府特殊津贴；获全国优秀博士论文奖、陕西省学术论文一等奖等。发表SCI论文250余篇，H因子30。

本书内容仅是人工表面等离激元基础研究和应用基础研究阶段的一些成果的总结和梳理，随着相关研究的不断深入，人工表面等离激元的内涵和外延在深度和广度上将会得到更大的发展和进步，在基础理论上将会向凝聚态物理、量子力学等更加基础的方向下沉，在宏观特性描述上将会更多地采用群表示论、拓扑学等更加突出空间序构的方法，在设计方法上将会与机器学习、遗传算法等智能算法结合，在系统架构上将会与感知、决策等智能化模块集成构成智能系统，等等。

本书涉及的相关研究得到了国家自然科学基金委、科技部、军委科技委、军委装备发展部等的大力支持，在此表示衷心感谢！感谢“超材料前沿交叉科学丛书”编委会对本书的大力支持！感谢清华大学周济院士和李勃教授、东南大学崔铁军院士和程强教授、西安交通大学徐卓教授和张安学教授、复旦大学周磊教授、浙江大学陈红胜教授、西安电子科技大学李龙教授、南京大学冯一军教授和赵俊明教授、哈尔滨工业大学张狂教授、西北工业大学张富利教授和樊元成教授，在本书撰写过程中提出的宝贵建议并给予帮助！

本文摘编自《人工表面等离激元色散调控及应用》（王甲富等著．北京：龙门书局，2024.3）一书“前言”“第1 章 绪论”，有删减修改，标题为编者所加。

(超材料前沿交叉科学丛书)

国家出版基金项目

ISBN 978-7-5088-6415-0

责任编辑：陈艳峰 杨 探

本书在对人工表面等离激元的基本概念、电磁特性及研究现状进行扼要介绍的基础上，详细阐述了人工表面等离激元色散调控的基本原理及典型应用，具体包括人工表面等离激元的色散特性、激发手段、弱色散区调控、强色散区调控、强-弱色散区综合调控等，重点介绍了人工表面等离激元色散调控在多域电磁调制、电磁增透、电磁吸波、频率选择结构、小型化微波器件等方面的应用。

本书适用于高等院校电子科学与技术学科高年级本科生、研究生和教师使用，也可供相关专业科技人员参考。

（本文编辑：刘四旦）

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