近日，中国科学院空天信息创新研究院（空天院）研究员祁志美团队在太赫兹表面等离子体共振（THz-SPR）传感技术方面取得进展，研制出锑化铟(InSb)光栅耦合的太赫兹表面等离激元（THz-SPPs）共振传感芯片，并观测到芯片的宏观尺寸效应。
宏观尺寸效应源于THz-SPPs的传播长度远大于现有SPR传感芯片，从而使其不能达到稳态的困境。研究团队通过数值仿真和实验测试，揭示了光栅尺寸和在光栅表面太赫兹（THz）照射区间尺寸对SPP共振特性的影响规律，提出“场增强因子建立长度”新概念，丰富了THz-SPR传感理论，为InSb光栅传感芯片的优化设计提供了依据。
THz-SPR传感技术在国内外研究较少，原因之一是，常用于在可见-近红外波段激发SPPs的金、银等贵金属薄膜在THz波段是良导体，无法在金属/介质界面处产生与THz入射波同频的自由电子集体振荡，因而不适用于制作THz-SPR传感芯片。
THz-SPPs的激励和传播需要借助窄禁带半导体材料（如InSb）。研究团队通过在市售2英寸InSb晶圆上制作亚毫米光栅，在THz时域光谱仪上采用反射测量模式，成功测得THz-SPPs共振吸收峰，进而实现了THz-SPR生化检测功能。
实验发现，在相同条件下，较小光栅芯片的共振频率总是略高于较大光栅芯片的共振频率，而且前者的品质因子比后者小数倍。以周期为140微米的InSb光栅芯片为例，芯片直径由15.5毫米增大到23毫米后，SPP共振峰线宽由15.68 GHz降至6.54 GHz，品质因子由91.5升至218.5。
为了探明上述差异的根源，研究团队构建了有限尺寸和无限尺寸InSb光栅模型，仿真分析了不同光栅长度和不同THz照射区间长度对应的SPP共振频率、共振峰宽、品质因子、场增强因子、传播距离等参数，绘制了这些参数随光栅长度、照射区间长度的变化曲线。
仿真结果表明，在THz入射波束完全覆盖光栅的情况下，随着光栅长度的增大，SPP共振频率缓慢移向低频，共振吸收峰明显变窄，品质因子显著升高，场增强因子从最小值逐渐升高至一个稳定值，表明SPP的增益与损耗达到平衡，成长为稳态SPP。这里SPP的损耗包括材料固有吸收损耗和光栅辐射损耗。
当THz入射波束不能覆盖光栅芯片时，照射区域长度成为影响SPP特性的主要因素，仅增大芯片尺寸不足以改善THz-SPP共振特性。以周期为130微米的InSb光栅为例，由无限大光栅模型得出的共振峰线宽为1.75 GHz、品质因子为880.2，而由23毫米长光栅模型得出的共振峰线宽增至11.28 GHz、品质因子降至136.2，由此可见光栅尺寸对THz-SPP共振峰具有显著影响。稳态SPPs的形成代表着其特性不再依赖于光栅长度和照射区域长度。研究团队将THz-SPPs达到稳态前，其共振特性对光栅长度和（或）照射区域长度的依赖性统称为光栅耦合THz-SPR传感芯片的宏观尺寸效应。
稳态THz-SPPs只存在于光栅的照射区域，离开照射区域，THz-SPPs无法获得增益，只有衰减，当其衰减至起始场强幅值的1/e时所需的距离定义为SPP的传播长度。计算表明，共振频率为1.537THz 的SPP在InSb光栅与空气界面的传播长度为33毫米，远低于其在光滑平坦的InSb表面的传播长度（约303毫米）。传播长度意味着一个稳态SPP传播多长距离就会衰减殆尽。仿真结果表明，如果一个THz-SPP传播到光栅端面时尚未衰减殆尽，就会发生端面反射，正反向传播的两个SPP发生干涉，就会形成驻波，这种驻波在SPR成像检测中会削弱图像分辨率。
与SPP传播长度相对应，研究团队提出“SPP场增强因子建立长度”新概念，定义为在光栅上场增强因子从零增长至稳定值的（1-1/e）所需的照明区间长度。场增强因子建立长度意味着一个SPP需要穿过多长的照明区间才能达到稳态，可以看作为SPP的成长距离，它与SPP的传播长度相等。一个THz-SPP如果达不到稳态，就不会拥有最大场强，在许多应用中就不能极大发挥其理论预测的场增强作用。场增强因子建立长度为实现高场强THz-SPPs的光栅激励提供了指导。
以上相关成果以“Macroscopic Size Effects in InSb Grating-Coupled Terahertz Surface Plasmon Resonance”为题，被太赫兹领域权威期刊《IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology》接收，并在线发表于IEEE Xplore 的“早期访问”区。空天院硕士毕业生周思维为第一作者，祁志美为通讯作者。该研究成果得到国家重点研发计划、国家自然科学基金（创新研究群体项目、重点项目）、空天院科学与颠覆性技术研究基金项目等资助。
论文(DOI:10.1109/TTHZ.2026.3745938)的早期访问链接如下：
https://ieeexplore.ieee.org/document/11744523
图1 (a, b) 分别基于无限和有限（长度23mm）InSb 光栅模型仿真得到的THz-SPP共振吸收峰；(c, d) THz-SPP的共振频率、共振峰宽和品质因子对InSb 光栅长度的依赖曲线；(e, f) 在光栅长度LG为 30、60 、100 mm三种情况下得到的THz-SPP 共振频率和品质因子随照射区间长度 Li 的变化曲线。
图2 (a1, b1) 在InSb光栅的照射区间THz-SPP的场增强因子随其传播距离的变化曲线（光栅边缘引起场强突变）； (a2) InSb 光栅脊顶中心和槽底中心的场增强因子随 THz-SPP 传播距离在 x = 0 mm 至 x = 300 mm 范围的变化曲线，模拟条件为 Li = LG，求得场增强因子建立长度 Lb = 33 mm（ 插图为前后向 THz-SPPs的干涉条纹）；(b2) 通过对 (a2) 中仿真数据进行 FFT 处理得到的场增强因子空间频率谱；(a3) 在 Li = 0.5LG 的条件下仿真得到的场增强因子随 THz-SPP 传播距离的变化曲线； (b3) InSb光栅脊顶中心和槽底中心的场增强因子在THz-SPP 离开照射区域后随传播距离的变化曲线，由该曲线得出传播长度Lp = 33 mm。
图3 (a, b) 实验中使用的市售太赫兹时域光谱仪（THz-TDS，BATOP TDS1008）照片（插图：固定在测试室中的自制反射测量模块，模块上安装了一个自制的InSb光栅芯片）；（b）利用轮廓仪测得的InSb光栅的表面轮廓（插图：光栅的光学显微镜图像，以及光栅的槽宽和脊高）；(c) 在30°入射角下测得的四个不同参数的 InSb 光栅芯片在空气中的太赫兹反射光谱；表1比较了直径为 15.5 毫米和 23 毫米的两种尺寸 InSb 光栅芯片的实测结果。
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