一種超材料諧振裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及超材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種超材料諧振裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 超材料是一種人工設(shè)計(jì)制作的亞波長(zhǎng)周期性金屬諧振結(jié)構(gòu)材料。由于人工設(shè)計(jì)制 作的超材料能夠非常容易操控電磁波的響應(yīng)，并獲得自然介質(zhì)不能獲得的電磁波特性（如 負(fù)折射、超透鏡、隱身衣等）而受到人們的廣泛重視。尤其是廣泛報(bào)道研究的平面超材料在 各種電磁波段（包括光波、太赫茲波及微波）器件、傳感及光譜成像等領(lǐng)域具有非常重要的 應(yīng)用。
[0003] 但對(duì)于平面超材料諧振器來說，由于其諧振是屬于表面局域諧振模式（surface localizedresonantmode),因此，要限制諧振能量的泄漏，提高諧振Q(qualityfactor, 品質(zhì)因子，諧振峰中也頻率除W諧振峰寬度，諧振寬度WFWHM(化11Wi化hat化If Maxium)計(jì)算）值是一件十分困難的事情，從而使得如何提高諧振品質(zhì)因子，成為本領(lǐng)域技 術(shù)人員亟待解決的技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種超材料諧振裝置，W提高超材料 諧振裝置的諧振品質(zhì)因子。
[0005] 為解決上述問題，本發(fā)明實(shí)施例提供了如下技術(shù)方案：
[0006] 一種超材料諧振裝置，包括：
[0007] 平板波導(dǎo)，所述平板波導(dǎo)包括第一介質(zhì)層、第二介質(zhì)層W及位于所述第一介質(zhì)層 和第二介質(zhì)層之間的第H介質(zhì)層，其中，所述第一介質(zhì)層和第二介質(zhì)層的折射率均小于所 述第H介質(zhì)層的折射率；
[0008] 位于所述平板波導(dǎo)表面的多個(gè)沿第一方向延伸的類光柵結(jié)構(gòu)，所述類光柵結(jié)構(gòu)由 位于所述平板波導(dǎo)表面的超材料諧振單元構(gòu)成；
[0009] 其中，所述諧振單元至少包括一個(gè)金屬諧振結(jié)構(gòu)，且所述金屬諧振結(jié)構(gòu)的厚度大 于集膚深度。
[0010] 優(yōu)選的，所述超材料諧振裝置諧振波長(zhǎng)滿足：
[0011] 光柵一級(jí)衍射條件；P(sin日i±sini) =A/叫；
[0012] 平板波導(dǎo)相位匹配條件；2'^.'?6/cos0-2A -2^ =2W;r ;
[0013] 其中，P為所述諧振單元的周期長(zhǎng)度，即所述諧振單元沿第二方向的長(zhǎng)度，所述第 二方向垂直于所述第一方向；i和01分別為入射電磁波的入射角和被類光柵衍射后的衍 射角；A為入射電磁波在真空中的波長(zhǎng)，ni，n，n2分別為平板波導(dǎo)中第一介質(zhì)層、第H介質(zhì) 層和第二介質(zhì)層的折射率；d為第H介質(zhì)層的厚度；0為平板波導(dǎo)的導(dǎo)模角；為第H介 質(zhì)層與第一介質(zhì)層界面上全反射相移；cK為第H介質(zhì)層和第二介質(zhì)層界面上全反射相移； N為導(dǎo)模階數(shù)，為不小于零的整數(shù)。
[0014] 優(yōu)選的，所述諧振單元包括多個(gè)金屬諧振結(jié)構(gòu)，所述多個(gè)金屬諧振結(jié)構(gòu)至少包括 第一金屬諧振結(jié)構(gòu)和第二金屬諧振結(jié)構(gòu)，且同一諧振單元中相鄰金屬諧振結(jié)構(gòu)之間的距離 h為p/m;其中，m為所述諧振單元沿第二方向包括的金屬諧振結(jié)構(gòu)的數(shù)量，所述相鄰金屬諧 振結(jié)構(gòu)之間的距離為相鄰金屬諧振結(jié)構(gòu)中也之間沿第二方向投影的距離。
[0015] 優(yōu)選的，所述諧振單元包括多個(gè)金屬諧振結(jié)構(gòu)，所述多個(gè)金屬諧振結(jié)構(gòu)至少包括 第一金屬諧振結(jié)構(gòu)和第二金屬諧振結(jié)構(gòu)，且同一諧振單元中相鄰金屬諧振結(jié)構(gòu)的之間的距 離h為p/m±Ah;其中，m為所述諧振單元沿第二方向包括的金屬諧振結(jié)構(gòu)的數(shù)量，所述相 鄰金屬諧振結(jié)構(gòu)之間的距離為相鄰金屬諧振結(jié)構(gòu)中也之間沿第二方向投影的距離。
[0016] 優(yōu)選的，Ah的取值范圍為【-0. 20h-0. 20h】。
[0017] 優(yōu)選的，所述諧振單元包括多個(gè)金屬諧振結(jié)構(gòu)，所述多個(gè)金屬諧振結(jié)構(gòu)至少包括 第一金屬諧振結(jié)構(gòu)和第二金屬諧振結(jié)構(gòu)，且所述第一金屬諧振結(jié)構(gòu)至少具有一個(gè)第一開 口，所述第二金屬諧振結(jié)構(gòu)至少具有一個(gè)第二開口。
[0018] 優(yōu)選的，所述第一金屬諧振結(jié)構(gòu)上第一開口所在的邊與第二方向之間的第一夾角 的取值范圍為（0°，90° );所述第二金屬諧振結(jié)構(gòu)上第二開口所在的邊與第二方向之間 的夾角的取值范圍為（0°，90° )。
[0019] 優(yōu)選的，所述第一夾角的取值范圍為（0°，20° );所述第二夾角的取值范圍為(0。，20。）。
[0020] 優(yōu)選的，所述第一金屬諧振結(jié)構(gòu)和第二金屬諧振結(jié)構(gòu)的形狀相同或不同。
[0021] 優(yōu)選的，所述第一金屬諧振結(jié)構(gòu)和第二金屬諧振結(jié)構(gòu)的尺寸相同或不同。
[0022] 優(yōu)選的，所述第一介質(zhì)層為空氣層或半導(dǎo)體材料層或介質(zhì)材料層或聚合物材料 層；所述第二介質(zhì)層為空氣層或半導(dǎo)體材料層或介質(zhì)材料層或聚合物材料層；所述第H介 質(zhì)層為半導(dǎo)體材料層、介質(zhì)材料層或聚合物材料層。
[0023] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，上述技術(shù)方案具有W下優(yōu)點(diǎn)：
[0024] 本發(fā)明實(shí)施例所提供的超材料諧振裝置，包括：平板波導(dǎo)和位于所述平板波導(dǎo)表 面的多個(gè)沿第一方向延伸的類光柵結(jié)構(gòu)，所述類光柵結(jié)構(gòu)由位于所述平板波導(dǎo)表面的超材 料諧振單元構(gòu)成；其中，所述諧振單元至少包括一個(gè)金屬諧振結(jié)構(gòu)，且所述金屬諧振結(jié)構(gòu)的 厚度大于集膚深度。由此可見，本發(fā)明實(shí)施例所提供的超材料諧振裝置包括平板波導(dǎo)和位 于所述平板波導(dǎo)表面的類光柵結(jié)構(gòu)，所述類光柵結(jié)構(gòu)由位于所述平板波導(dǎo)表面的超材料諧 振單元構(gòu)成，而所述超材料諧振單元為二維元件，本身具有諧振特性，與平板波導(dǎo)結(jié)合后， 可獲得較高的諧振品質(zhì)因子。
【附圖說明】
[0025] 為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明 的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可W根據(jù) 該些附圖獲得其他的附圖。
[0026] 圖1為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例所提供的超材料諧振裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖2為本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例所提供超材料諧振裝置中，諧振單元的俯視圖；
[0028]圖3為圖2中所示超材料諧振裝置中，所述第H介質(zhì)層的厚度為50微米時(shí)，所述 超材料諧振裝置用有限元法計(jì)算得到的在0.2T化-1. (yfflz范圍內(nèi)的透射率譜曲線示意圖；
[0029]圖4為本發(fā)明另一個(gè)具體實(shí)施例所提供超材料諧振裝置中，諧振單元的俯視圖；
[0030] 圖5為圖4中所示超材料諧振裝置用有限元法計(jì)算得到的在0. 2THZ-1. 0T化范圍 內(nèi)的透射率譜曲線示意圖；
[0031] 圖6為本發(fā)明又一個(gè)具體實(shí)施例所提供超材料諧振裝置中，諧振單元的俯視圖；
[0032] 圖7圖6中所示超材料諧振裝置用有限元法計(jì)算得到的在0. 2TOz-l. Oraz范圍內(nèi) 的透射率譜曲線示意圖；
[0033]圖8為本發(fā)明再一個(gè)具體實(shí)施例所提供超材料諧振裝置中，諧振單元的俯視圖；
[0034] 圖9為假設(shè)平板波導(dǎo)材料無損時(shí)，圖8中所示超材料諧振裝置中，所述諧振單元沿 第二方向的周期長(zhǎng)度Px為320微米，沿第一方向的周期長(zhǎng)度Py為160微米，第一金屬諧 振結(jié)構(gòu)與第二金屬諧振結(jié)構(gòu)之間的距離h為158微米（微失衡態(tài)）和160微米（平衡態(tài)） 時(shí)，用有限元法計(jì)算得到的透射率譜曲線示意圖，其中，曲線1為所述諧振單元中第一金屬 諧振結(jié)構(gòu)和第二金屬諧振結(jié)構(gòu)之間的距離為158微米時(shí)，用有限元法計(jì)算得到的透射率譜 曲線示意圖，曲線2為所述諧振單元中第一金屬諧振結(jié)構(gòu)和第二金屬諧振結(jié)構(gòu)之間的距離 為160微米時(shí)，用有限元法計(jì)算得到的透射率譜曲線示意圖；
[0035] 圖10為圖9中所示諧振裝置在A h為2微米時(shí)其中一個(gè)最低階諧振峰頻率與諧 振品質(zhì)因子Q值、平板波導(dǎo)厚度之間的關(guān)系曲線圖；
[0036] 圖11為圖9中所示諧振裝置在A h為2微米時(shí)，金屬諧振結(jié)構(gòu)邊長(zhǎng)為68微米時(shí) 的Fano諧振曲線；
[0037] 圖12為圖9中所示諧振裝置在A h為2微米時(shí)，金屬諧振結(jié)構(gòu)邊長(zhǎng)為70. 6微米 時(shí)的EIT曲線；
[0038] 圖13為不同周期下計(jì)算得到的透射諧振峰曲線示意圖；
[0039] 圖14為假設(shè)平板波導(dǎo)材料無損時(shí)，第一夾角和第二夾角均為0°和均為4°時(shí)的 透射率譜曲線示意圖，其中，曲線3為第一夾角和第二夾角均為0°時(shí)的透射率譜曲線，曲 線4為第一夾角和第二夾角均為4°時(shí)的透射率譜曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0040] 正如【背景技術(shù)】部分所述，如何提高諧振品質(zhì)因子，成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決 的技術(shù)問題。
[0041] 有鑒于此，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種超材料諧振裝置，包括：
[0042] 平板波導(dǎo)，所述平板波導(dǎo)包括第一介質(zhì)層、第二介質(zhì)層W及位于所述第一介質(zhì)層 和第二介質(zhì)層之間的第H介質(zhì)層，其中，所述第一介質(zhì)層和第二介質(zhì)層的折射率均小于所 述第H介質(zhì)層的折射率；
[0043] 位于所述平板波導(dǎo)表面的多個(gè)沿第一方向延伸的類光柵結(jié)構(gòu)，所述類光柵結(jié)構(gòu)由 位于所述平板波導(dǎo)表面的超材料諧振單元構(gòu)成；
[0044] 其中，所述諧振單元至少包括一個(gè)金屬諧振結(jié)構(gòu)，且所述金屬諧振結(jié)構(gòu)的厚度大 于集膚深度。
[0045] 本發(fā)明實(shí)施例所提供的超材料諧振裝置包括平板波導(dǎo)和位于所述平板波導(dǎo)表面 的類光柵結(jié)構(gòu)，所述類光柵結(jié)構(gòu)由位于所述平板波導(dǎo)表面的超材料諧振單元構(gòu)成，而所述 超材料諧振單元為二維元件，本身具有諧振特性，與平板波導(dǎo)結(jié)合后，可獲得較高的諧振品 質(zhì)因子。
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