混合型的金屬?介質(zhì)ssp周期光柵系統(tǒng)及其用途和方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種混合型的金屬?介質(zhì)SSP周期光柵系統(tǒng)及其用途和方法。本發(fā)明采用混合型的金屬?介質(zhì)SSP周期光柵，能夠兼顧現(xiàn)有SSP周期金屬波導(dǎo)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也能夠通過介質(zhì)填充更加有效地局促太赫茲波在近場傳播，具有低損耗的特點(diǎn)；通過外加電子束在混合型的金屬?介質(zhì)SSP周期光柵激發(fā)表面等離子體激元，在滿足SSP色散與外加電子束色散匹配的條件下能夠得到高效率的類表面等離子體激元，并且通過介質(zhì)填充形成周期性的金屬?介質(zhì)表面，從而相比于純金屬周期光柵能夠更有效地局限類表面等離子體激元，同時(shí)給出了通過電子束激發(fā)SSP的系統(tǒng)原理實(shí)施圖，因此能夠克服已有的光學(xué)激發(fā)方式的低功率激發(fā)的劣勢(shì)，具有大功率和高效率的特點(diǎn)。
【專利說明】
混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵系統(tǒng)及其用途和方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及納米光學(xué)，具體涉及一種混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵及其用途和 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 太赫茲波是一種頻率量級(jí)為THz (ITHz = 1012Hz)的電磁輻射，其在電磁波譜中處于 微波與紅外光學(xué)之間，因此也被稱為由傳統(tǒng)電子學(xué)向微觀光子學(xué)過渡的太赫茲間隙（THz Gap)。近年來，由于太赫茲波的一系列獨(dú)特優(yōu)勢(shì)而受到國內(nèi)外學(xué)術(shù)界以及工業(yè)界的廣泛關(guān) 注，形成了一門針對(duì)太赫茲波的產(chǎn)生、傳輸、操控以及應(yīng)用相關(guān)的新學(xué)科，即太赫茲科學(xué)與 技術(shù)。由于其在電磁波譜中的獨(dú)特位置，太赫茲波展現(xiàn)出了微波及紅外所不具有的一系列 優(yōu)越性。比如，相對(duì)于低頻段的微波，由于其波長更短，具有更強(qiáng)的穿透性和更好的方向性， 在成像及跟蹤領(lǐng)域具有一定的優(yōu)勢(shì)。
[0003] 發(fā)展太赫茲科學(xué)與技術(shù)離不開對(duì)以波導(dǎo)為基礎(chǔ)的功能器件的研究，波導(dǎo)作為傳輸 太赫茲波的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)特性往往也決定了其傳導(dǎo)的太赫茲波的傳輸特性。因此，太赫茲波 導(dǎo)不僅起著傳輸太赫茲波的作用，而且在一定層度上還能夠起到操控太赫茲波的目的。研 究太赫茲波導(dǎo)與傳統(tǒng)微波波段的金屬波導(dǎo)一樣，也是對(duì)其傳播常數(shù)的研究，包括實(shí)部和虛 部的兩部分，即分別表征色散特性和傳輸損耗。由于太赫茲波在大氣中傳輸?shù)乃p很大(除 了 THz大氣窗口如350_1、450_1、620_1、735_1波長附近），因此太赫茲波導(dǎo)對(duì)發(fā)展太赫茲科 學(xué)技術(shù)顯得尤為重要。針對(duì)不同的應(yīng)用場合，選取易于與現(xiàn)有太赫茲系統(tǒng)集成的波導(dǎo)器件 成為了關(guān)鍵。除了以上提到的低色散、衰減小以及便于集成等優(yōu)點(diǎn)外，一般還要求波導(dǎo)具有 單模傳輸、寬帶寬及結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)。根據(jù)目前常見的太赫茲波導(dǎo)，大體可分為兩類:一種 是從低頻率的較為成熟的微波波導(dǎo)向高頻率發(fā)展，如金屬波導(dǎo)；另一種是從光學(xué)波段往低 頻率發(fā)展，比如光子晶體光纖，除此之外還出現(xiàn)了一些新型的太赫茲波導(dǎo)，如石墨烯波導(dǎo)、 金屬介質(zhì)混合波導(dǎo)、光子晶體波導(dǎo)等等。
[0004] 下面對(duì)太赫茲波導(dǎo)的研究現(xiàn)狀作一簡單回顧：
[0005] (1)金屬波導(dǎo)。太赫茲金屬波導(dǎo)是一種常見的而且非常成熟的波導(dǎo)技術(shù)，如各種形 狀(圓形、矩形等)的金屬腔波導(dǎo)、平行板金屬波導(dǎo)等。這一類波導(dǎo)一般存在一個(gè)低頻截止頻 率，為多模傳輸。不足之處是太赫茲波的群速度色散較大，在某些應(yīng)用場合存在缺陷。通過 研究發(fā)現(xiàn)，采用平行板金屬波導(dǎo)能有效地抑制群速度色散的影響。相比于以上金屬波導(dǎo)，金 屬絲波導(dǎo)能夠大大地減小傳輸損耗，較低的傳輸色散，是一種結(jié)構(gòu)較為簡單的太赫茲波導(dǎo)。 2004年有文獻(xiàn)報(bào)道，不銹鋼單金屬線能夠?qū)崿F(xiàn)幾乎無色散、平均損耗系數(shù)很小的太赫茲波 傳輸，實(shí)驗(yàn)表明太赫茲波在該波導(dǎo)中傳輸4厘米和24厘米后幾乎無變形(Kanglin Wang and D.M.Mittleman,Nature 432,376,2004)。但是該種金屬波導(dǎo)能夠局促太赫茲波的能力有 限，因?yàn)榻饘僭谔掌澮约案偷牟ǘ蔚碾妼?dǎo)率有限，因此這一波段的太赫茲波也被稱為 Sommerfeld Wave或Zenneck Wave。
[0006] (2)介質(zhì)波導(dǎo)。另一種常見類型的太赫茲波導(dǎo)是介質(zhì)波導(dǎo)，其原理類似于光纖傳輸 的原理。利用一些在太赫茲波段衰減較低的材料組成全介質(zhì)的實(shí)心或空心的波導(dǎo)，能夠得 到各種形狀和不同結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)。與金屬波導(dǎo)相比，介質(zhì)波導(dǎo)最大的特點(diǎn)是能夠有效的局促 太赫茲波，能夠?qū)崿F(xiàn)單模傳輸，易產(chǎn)生線偏振模，但是最大的缺點(diǎn)是損耗較大。比如，常用的 單晶藍(lán)寶石、塑料、布料以及聚合物等等。根據(jù)不同的應(yīng)用需求，選取介電常數(shù)合適的材料 作為介質(zhì)波導(dǎo)傳輸太赫茲波。在介質(zhì)波導(dǎo)中，有一種特殊的周期性結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)，即太赫茲光 子晶體波導(dǎo)，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了用于太赫茲波傳播的一維、二維及三維光子晶體波導(dǎo)。
[0007] (3)新型波導(dǎo)。除了以上兩種常見的金屬波導(dǎo)和介質(zhì)波導(dǎo)外，在太赫茲波段還出現(xiàn) 了一些新型波導(dǎo)。這里面最常見的就是本發(fā)明涉及的基于表面等離子體激元（Surface Plasmon Polaritons，SPP)的波導(dǎo)。
[0008] 表面等離子體激元(Surface Plasmon Polaritons，SPP)是一種存在于金屬與介 質(zhì)分界面上的特殊的光學(xué)模式，由于金屬表面自由電子的集體振蕩效應(yīng)，當(dāng)光波耦合到分 界面表面時(shí)，就形成了一種局促在金屬-介質(zhì)分界面的近場局域混合模。因?yàn)榇蠖鄶?shù)金屬的 特性在紅外及光學(xué)頻段類似于等離子體，因此光場能夠很好的局附在表面。但是當(dāng)頻率下 降至太赫茲波段時(shí)，由于其特性類似于良導(dǎo)體，因此電磁波的局促能力變?nèi)酢?004年，英國 帝國理工大學(xué)的J.B.Pendry等提出在金屬表面引入一些周期性的陣列，如矩形方孔 (J.B.Pendry，L.Martin-Moreno and F.J.Garcia-Vidal，Science 305,847,2004.)。并且 在理論上證實(shí)了周期性的金屬結(jié)構(gòu)能夠很好的局促這種特殊的SPP模式，為了區(qū)別于金屬-介質(zhì)分界面上的SPP模式，這種在低頻段的存在于周期性金屬表面的模式也被稱為類表面 等離子體激元或仿表面等離子體激元(Spoof Surface Plasmon,SSP)。隨后，Williams從實(shí) 驗(yàn)上在太赫茲波段證實(shí)了SSP模式（C.R.Williams et al,Nature Photon.2,175,2008)。近 年來，各種各樣的亞波長人工超結(jié)構(gòu)被提出，比如周期性的二維孔陣列（F.J.Ga rCia-Vidal ? et al，J ? Opt ? A: Pure Appl ? Opt 7S97，2005)、一維金屬光概（L.Shen et al， Opt.Express 16 ,3326 ,2008)、圓柱形金屬光概陣列（S.A.Maier, Phys ? Rev? Lett ? 97 ? 176805，2006)、雙開槽的金屬光概陣列（A. I .Fern&ndez-Dominguez， Phy .Re v.B 79,233104,2009)、模形狀的金屬結(jié)構(gòu)（A.I ? Fern&ndez-Dominguez，Optics Letters 34,2063,2009)等等。這些結(jié)構(gòu)均是基于SSP模式，并且得到了大量的應(yīng)用。其中， 單周期的金屬光柵由于其結(jié)構(gòu)簡單及易于實(shí)現(xiàn)受到了很大關(guān)注，在一些無源器件比如耦合 器、功分器、濾波器、近場成像等，即有源器件比如太赫茲輻射源等領(lǐng)域都得到了應(yīng)用。作為 太赫茲波導(dǎo)，L.Shen(L.Shen et al，0pt.Express 16,3326,2008)利用嚴(yán)格的模式匹配法 計(jì)算的SSP模式在金屬光柵上的色散及傳播損耗，并且研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)如深度、周期和槽寬 占空比對(duì)傳輸特性的影響。F.M.Zhu(F.M.Zhu et al，J.of Electromagn.Waves and Appl 26,120,2012)在此基礎(chǔ)上利用全矢量的基于有限元算法的商業(yè)軟件計(jì)算了矩形槽、V型槽 和其他類型開槽的SSP模式的色散曲線，并且在太赫茲波段計(jì)算了周期光柵在理想導(dǎo)體和 金屬鋁上傳播的SSP模式距離。由于這種非矩形的周期金屬光柵在太赫茲波段也能實(shí)現(xiàn)亞 波長局促，因此是一種很有前途的太赫茲波導(dǎo)。但是，目前沒有對(duì)這種改良型的金屬光柵與 傳統(tǒng)的矩形周期光柵結(jié)構(gòu)的傳播損耗作詳細(xì)計(jì)算和比較。現(xiàn)有的基于SSP的周期光柵，相鄰 的結(jié)構(gòu)間均為空氣，因此對(duì)電磁波的進(jìn)一步局促作用的加強(qiáng)有很大的限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出了一種混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期 光柵，能夠兼顧已有SSP金屬光柵的優(yōu)勢(shì)和介質(zhì)填充對(duì)波導(dǎo)場局促的性能改善的優(yōu)勢(shì)，并且 詳細(xì)計(jì)算了改良后的波導(dǎo)以及現(xiàn)有矩形結(jié)構(gòu)的傳播損耗，發(fā)現(xiàn)其具有低損耗的特點(diǎn)，同時(shí) 提出了通過外加電子束激發(fā)SSP的新型激發(fā)方式，與現(xiàn)有的光學(xué)激發(fā)SSP的方式相比具有大 功率和高效率的優(yōu)勢(shì)。
[0010] 本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵系統(tǒng)。
[0011] 本發(fā)明的混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵系統(tǒng)包括:混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期 光柵、發(fā)射陰極、收集極和磁聚焦系統(tǒng);其中，混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵包括襯底、周 期性的梯形結(jié)構(gòu)和介質(zhì)，在襯底上設(shè)置周期性的梯形結(jié)構(gòu)，梯形結(jié)構(gòu)沿XZ平面的剖面為梯 形，沿y軸平行，相鄰的兩個(gè)梯形結(jié)構(gòu)之間為梯形凹槽，在梯形凹槽內(nèi)填充介質(zhì)，介質(zhì)填平梯 形凹槽，形成混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵;位于混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵一側(cè) 的發(fā)射陰極發(fā)射電子束，電子束平行于X軸，沿著混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵的上表面 傳播;在周期性的金屬和介質(zhì)的分界面感應(yīng)出電場，繼而電場產(chǎn)生磁場，在混合型的金屬 -介質(zhì)SSP周期光柵的表面感應(yīng)出的電磁場反過來又與電子束相互作用，形成沿表面?zhèn)鞑サ?局域模，從而有效地激發(fā)混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵產(chǎn)生類表面等離激元SSP，產(chǎn)生的 類表面等離激元在混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵的上表面沿著X軸方向傳播，周期性的 梯形結(jié)構(gòu)的間隙中填充的介質(zhì)使得產(chǎn)生的類表面等離子體激元SSP有效地局域在混合型的 金屬-介質(zhì)SSP周期光柵的表面，進(jìn)一步與電子束相互作用；當(dāng)滿足類表面等離子體激元SSP 的色散與外加電子束的色散相匹配時(shí)，類表面等離子體激元得到有效激發(fā)并且被放大；電 子束離開混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵后，由位于混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵的另 一側(cè)的收集極收集作用完的電子束;在發(fā)射極和收集極之間設(shè)置一個(gè)磁聚焦系統(tǒng)，產(chǎn)生一 個(gè)沿電子束傳播方向的恒定磁場，從而有效約束電子束，使得電子束在傳播過程中不發(fā)散。
[0012] 本發(fā)明提出了采用通過外加電子束激發(fā)類表面等離子體激元SSP的新型激發(fā)方 式，根據(jù)電子束的能量選取可以得到特定頻率的SSP，具有大功率和高效率的優(yōu)勢(shì)。通過在 混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵左側(cè)面引入一個(gè)發(fā)射陰極，發(fā)射陰極面發(fā)射出特定能量的 電子束，發(fā)射出的混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵的高度為G，G的大小由激發(fā)得到的類表 面等離子體激元SSP的功率大小來確定，一般為亞波長量級(jí)，激發(fā)混合型的金屬-介質(zhì)SSP周 期光柵產(chǎn)生類表面等離激元SSP，產(chǎn)生的類表面等離激元在混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光 柵的上表面沿著X軸方向傳播。在傳播過程中類表面等離子體激元SSP在滿足色散關(guān)系與外 加電子束相匹配時(shí)，類表面等離子體激元能夠得到有效的激發(fā)并且能夠被放大，因此具有 高功率和高功率的特點(diǎn)。當(dāng)電子束離開混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵后，在結(jié)構(gòu)的右邊 設(shè)置一個(gè)收集極，用于收集作用完的電子束。同時(shí)為了有效地約束發(fā)射電子束，使電子束在 沿X軸傳播過程中不發(fā)散，在發(fā)射極和收集極之間放置一個(gè)磁聚焦系統(tǒng)，用于產(chǎn)生一個(gè)沿X 方向的恒定磁場，磁場越大對(duì)電子束的橫向約束能力越好。由于本發(fā)明在周期性的梯形結(jié) 構(gòu)中填充了介質(zhì)，通過電子束產(chǎn)生的類表面等離子體激元SSP能夠更有效地局域在混合型 的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵的表面，進(jìn)而更好地與外加電子束相互作用，因此激發(fā)效率相比 于只采用金屬周期光柵的更高。
[0013] 本發(fā)明所涉及的混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵包括三部分，其中，襯底和周期 性的梯形結(jié)構(gòu)的材料采用金、銀或銅，填充梯形凹槽的介質(zhì)采用玻璃或陶瓷。
[0014] 電子束沿著混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵的上表面一定的距離G傳播，在給定 電子束參數(shù)和工作頻率的情況下，G的取值由激發(fā)的類表面等離子體激元的激發(fā)功率確定， 根據(jù)粒子模擬仿真發(fā)現(xiàn)，隨著G值由小變大，電子束所激發(fā)的類表面等離子體激元的功率呈 現(xiàn)出先增大再減小的變化規(guī)律，其中，G大于0。
[0015] 本發(fā)明的混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵的單個(gè)梯形結(jié)構(gòu)的深度h由所激發(fā)的類 表面等離子體激元的傳播截止頻率(SSP基波頻帶的最大頻率值)f c決定，即fc = c/2h，c為光 速;單個(gè)的梯形結(jié)構(gòu)的周期d由所激發(fā)的類表面等離子體激元的傳播截止波矢隊(duì)決定，SP隊(duì) X d = 2jt ;梯形結(jié)構(gòu)之間的介質(zhì)的深度與單個(gè)金屬梯形結(jié)構(gòu)的深度一樣，由f c = c/2h決定； 梯形凹槽的上底U的取值范圍為:0〈U〈d，梯形凹槽的下底L的取值范圍為:0〈L〈d。
[0016] 本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提出一種混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵SSP色散和傳 輸損耗測(cè)量方法。
[0017] 本發(fā)明的混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵的色散和傳輸損耗測(cè)量方法包括：
[0018] 1)得到混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵中梯形凹槽的參數(shù)，參數(shù)包括梯形凹槽的 上底U、下底L和深度h;
[0019] 2)將梯形凹槽中填充的介質(zhì)分為p層等高的矩形介質(zhì)高度為1，同時(shí)將梯形結(jié)構(gòu)分 為P層等高的矩形金屬，相鄰且等高的矩形金屬和矩形介質(zhì)為一個(gè)矩形結(jié)構(gòu)，每一層的周期 性的等高的矩形結(jié)構(gòu)形成一層矩形混合金屬-介質(zhì)光柵，共P層矩形混合金屬-介質(zhì)光柵，P Xl=h，p為彡2的自然數(shù)；
[0020] 3)得到本征頻率：
[0021] 給定步驟2)中每一層規(guī)則的矩形混合金屬-介質(zhì)光柵的周期單個(gè)相移從0度到180 度，基于有限積分算法，得到一層矩形混合金屬-介質(zhì)光柵的本征頻率，作為初始值，滿足每 一層矩形混合金屬-介質(zhì)光柵的邊界條件Ez. klxdxsw、=〇，Ez為電場分量，同時(shí)通過帶入Wk = Wh+2* | U-L | /p迭代求解p層矩形混合金屬-介質(zhì)光柵的本征頻率，直至迭代結(jié)果穩(wěn)定后，以 穩(wěn)定的結(jié)果作為混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵的本征頻率f，其中，W k為第k層矩形介質(zhì) 的邊長，k=l，......，p;
[0022] 4)通過步驟3)的計(jì)算結(jié)果得到歸一化的周期相移和本征頻率的關(guān)系，在0~180度 內(nèi)得到歸一化的相移_本征頻率曲線，即色散曲線；
[0023] 5)得到傳輸損耗：
[0024] 在步驟4)得到色散曲線的基礎(chǔ)上，在色散曲線上求得特定頻率下電磁波的群速度 Vg，vg= A f/ A 0n，0n為SSP的軸向傳播波矢，再通過有限積分算法，求得一層矩形混合金屬-介質(zhì)光柵的品質(zhì)因素 Q，作為初始值，滿足每一層矩形混合金屬_介質(zhì)光柵的邊界條件 Ez> k|x=±o.5wk=〇.，Ez為電場分量，同時(shí)通過帶入Wk = Wk-i+2* I U-L I /p迭代求解p層矩形混合金 屬-介質(zhì)光柵的本征頻率，直至迭代結(jié)果穩(wěn)定后，以穩(wěn)定的結(jié)果作為混合型的金屬-介質(zhì)SSP 周期光柵的品質(zhì)因素 Q，根據(jù)計(jì)算公式a = (3iXf)/(VgXQ)得到傳輸損耗a。
[0025] 其中，在步驟2)中，當(dāng)p無窮大時(shí)，可接近實(shí)際情況。梯形凹槽為等腰梯形，則第k層 矩形介質(zhì)的邊長為Wk，則當(dāng)k=l時(shí)，Wk = U;當(dāng)k = p時(shí)，Wk = U±2X (p-1) |U_L|/p，式中|u-l| 為梯形凹槽的上底與下底之差的絕對(duì)值，當(dāng)U〈L時(shí)，取"+"號(hào)，當(dāng)U>L時(shí)，取"一"號(hào)，k=l…… p，p為多2的自然數(shù)。
[0026] 本發(fā)明的又一個(gè)目的在于提供一種混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵用于太赫茲 波導(dǎo)的用途。本發(fā)明的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵用于太赫茲波導(dǎo)，具有低損耗的特點(diǎn)。
[0027] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：
[0028] 本發(fā)明采用混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵，能夠兼顧現(xiàn)有SSP周期金屬波導(dǎo)的 技術(shù)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也能夠通過介質(zhì)填充更加有效地局促太赫茲波在近場傳播。因此，該發(fā)明的 混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵能夠兼有SSP金屬波導(dǎo)和介質(zhì)波導(dǎo)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，不僅能夠 有效地局促SSP模式，而且具有低損耗的特點(diǎn)。
[0029] 表面等離子體激元SPP和類表面等離子體激元SSP是一種特殊光學(xué)混合電磁極化 模，目前其產(chǎn)生方式主要是通過光波入射到諧振耦合裝置(如Kretschmann或Otto裝置)或 不規(guī)則的擾動(dòng)裝置(如周期金屬光柵），其激發(fā)功率和效率十分有限。本發(fā)明的另外一個(gè)技 術(shù)優(yōu)點(diǎn)是通過外加電子束在混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵激發(fā)表面等離子體激元，在滿 足SSP色散與外加電子束色散匹配的條件下能夠得到高效率的類表面等離子體激元，并且 通過介質(zhì)填充形成周期性的金屬-介質(zhì)表面，從而相比于純金屬周期光柵能夠更有效地局 限類表面等離子體激元，同時(shí)給出了通過電子束激發(fā)SSP的系統(tǒng)原理實(shí)施圖，因此能夠克服 已有的光學(xué)激發(fā)方式的低功率激發(fā)的劣勢(shì)，具有大功率和高效率的特點(diǎn)。
【附圖說明】
[0030]圖1為現(xiàn)有技術(shù)的SSP周期金屬光柵的不意圖；
[0031 ]圖2為現(xiàn)有技術(shù)的SSP周期金屬光柵的色散曲線圖；
[0032] 圖3為本發(fā)明的混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵系統(tǒng)的示意圖；
[0033] 圖4為本發(fā)明的混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵的梯形凹槽分成p個(gè)矩形的示意 圖；
[0034] 圖5為本發(fā)明的混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵系統(tǒng)的實(shí)施例一的SSP色散曲線 圖；
[0035] 圖6為本發(fā)明的混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵系統(tǒng)的實(shí)施例一的SSP傳輸損耗 圖；
[0036] 圖7為本發(fā)明的混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵系統(tǒng)的實(shí)施例二的SSP色散曲線 圖；
[0037] 圖8為本發(fā)明的混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵系統(tǒng)的實(shí)施例二的SSP傳輸損耗 圖；
[0038] 圖9為本發(fā)明的混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵系統(tǒng)的類表面等離子體激元SSP 的色散關(guān)系與外加電子束相匹配的曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0039] 下面結(jié)合附圖，通過具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
[0040] 圖1為現(xiàn)有的周期性矩形光柵的示意圖，矩形凹槽的上下寬度一樣，邊長以a表示， d是周期，h是槽深。圖2是計(jì)算得到的SSP基模的色散關(guān)系，光線也以黑色實(shí)線表示。可以看 出SSP模式完全處于光線以下，是一種慢波模式。隨著頻率接近周期邊界，場的局附性變得 更好。在以上計(jì)算中，二維金屬光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)為:d = 3〇Mi，h = 66iim，a/d = 0.5。
[0041 ] 實(shí)施例一
[0042]如圖3所示，本實(shí)施例的混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵系統(tǒng)包括:混合型的金 屬-介質(zhì)SSP周期光柵、發(fā)射陰極E、收集極C和磁聚焦系統(tǒng)FS;其中，混合型的金屬-介質(zhì)SSP 周期光柵包括襯底、周期性的梯形結(jié)構(gòu)和介質(zhì)，在襯底上設(shè)置周期性的梯形結(jié)構(gòu)，梯形結(jié)構(gòu) 沿xz平面的剖面為梯形，沿y軸平行，相鄰的兩個(gè)梯形結(jié)構(gòu)之間為梯形凹槽;梯形凹槽內(nèi)以 介質(zhì)填充。在混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵的左側(cè)設(shè)置一個(gè)發(fā)射陰極E用于發(fā)射特定參 數(shù)的電子束Eb，電子束沿著周期性的梯形光柵的上表面且平行與x軸進(jìn)入，距離表面的高度 為G，激發(fā)周期性梯形光柵產(chǎn)生類表面等離激元SSP，產(chǎn)生的類表面等離激元在周期性的梯 形光柵的上表面沿著x軸方向傳播;在混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵的右側(cè)放置一個(gè)收 集極C用于收集互作用完的電子束;在發(fā)射極和收集極之間設(shè)置一個(gè)磁聚焦系統(tǒng)FS，產(chǎn)生一 個(gè)沿電子束傳播方向的恒定磁場，從而有效約束電子束，使得電子束在傳播過程中不發(fā)散。 在傳播過程中類表面等離子體激元SSP在滿足色散關(guān)系與外加電子束相匹配時(shí)，類表面等 離子體激元能夠得到有效的激發(fā)并且能夠被放大，因此具有高功率和高功率的特點(diǎn)。如圖9 所示，當(dāng)外加電子束的色散曲線相交于混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵的SSP色散曲線時(shí)， 稱為滿足色散關(guān)系的匹配，色散匹配點(diǎn)以黑色實(shí)心圓點(diǎn)表示。梯形凹槽的上底U為18wn，下 底L為15WH，梯形結(jié)構(gòu)的周期d即兩個(gè)相鄰的梯形結(jié)構(gòu)之間的距離為33WH，深度h為66wii。將 梯形凹槽分成10個(gè)矩形，如圖4所示，p=10,計(jì)算色散和損耗。金屬為銅，則帶入電導(dǎo)率〇 = 5.99 X 107 Q -1，介質(zhì)為玻璃，則帶入介電常數(shù)e = 3.92。與邊長為15圓的矩形凹槽相比， 如圖5所示，混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵能夠拓展SSP的頻帶；同時(shí)，如圖6所示，混合型 的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵能夠有效地減小SSP的傳播損耗，尤其是在靠近周期邊界的位置 上。
[0043] 實(shí)施例二
[0044] 在本實(shí)施例中，梯形凹槽的上底U為15wii，下底L為12wii，其他同實(shí)施例一，與邊長 為15wii的矩形凹槽相比，混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵能夠拓展SSP的頻帶，如圖7所示； 同時(shí)，混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵能夠有效地減小SSP的傳播損耗，尤其是在靠近周期 邊界的位置上，如圖8所示。
[0045] 最后需要注意的是，公布實(shí)施例的目的在于幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域 的技術(shù)人員可以理解:在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修 改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實(shí)施例所公開的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán) 利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵系統(tǒng)，其特征在于，所述混合型的金屬-介質(zhì) SSP周期光柵、發(fā)射陰極、收集極和磁聚焦系統(tǒng);其中，所述混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵 包括襯底、周期性的梯形結(jié)構(gòu)和介質(zhì)，在襯底上設(shè)置周期性的梯形結(jié)構(gòu)，梯形結(jié)構(gòu)沿XZ平面 的剖面為梯形，沿y軸平行，相鄰的兩個(gè)梯形結(jié)構(gòu)之間為梯形凹槽，在梯形凹槽內(nèi)填充介質(zhì)， 介質(zhì)填平梯形凹槽，形成混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵;位于混合型的金屬-介質(zhì)SSP周 期光柵一側(cè)的發(fā)射陰極發(fā)射電子束，電子束平行于x軸，沿著混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光 柵的上表面?zhèn)鞑?在周期性的金屬和介質(zhì)的分界面感應(yīng)出電場，繼而電場產(chǎn)生磁場，在混合 型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵的表面感應(yīng)出的電磁場反過來又與電子束相互作用，形成沿表 面?zhèn)鞑サ木钟蚰?，從而有效地激發(fā)混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵產(chǎn)生類表面等離激元 SSP，產(chǎn)生的類表面等離激元在混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵的上表面沿著x軸方向傳 播，周期性的梯形結(jié)構(gòu)的間隙中填充的介質(zhì)使得產(chǎn)生的類表面等離子體激元SSP有效地局 域在混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵的表面，進(jìn)一步與電子束相互作用；當(dāng)滿足類表面等 離子體激元SSP的色散與外加電子束的色散相匹配時(shí)，類表面等離子體激元得到有效激發(fā) 并且被放大；電子束離開混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵后，由位于混合型的金屬-介質(zhì) SSP周期光柵的另一側(cè)的收集極收集作用完的電子束;在發(fā)射極和收集極之間設(shè)置一個(gè)磁 聚焦系統(tǒng)，產(chǎn)生一個(gè)沿電子束傳播方向的恒定磁場，從而有效約束電子束，使得電子束在傳 播過程中不發(fā)散。2. 如權(quán)利要求1所述的混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵系統(tǒng)，其特征在于，在所述混合 型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵中，襯底和周期性的梯形結(jié)構(gòu)的材料采用金、銀或銅，填充梯形 凹槽的介質(zhì)采用玻璃或陶瓷。3. 如權(quán)利要求1所述的混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵系統(tǒng)，其特征在于，所述電子束 沿著混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵的上表面一定的距離G傳播，在給定電子束參數(shù)和工 作頻率的情況下，G的取值由激發(fā)的類表面等離子體激元的激發(fā)功率確定，G大于0。4. 如權(quán)利要求1所述的混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵系統(tǒng)，其特征在于，單個(gè)梯形結(jié) 構(gòu)的深度h由所激發(fā)的類表面等離子體激元的傳播截止頻率f。決定，;^ = (：/211，(3為光速。5. 如權(quán)利要求1所述的混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵系統(tǒng)，其特征在于，單個(gè)的梯形 結(jié)構(gòu)的周期d由所激發(fā)的類表面等離子體激元的傳播截止波矢隊(duì)決定，隊(duì)X d = 2jt。6. -種混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵SSP色散和傳輸損耗測(cè)量方法，其特征在于，所 述測(cè)量方法包括以下步驟： 1) 得到混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵中梯形凹槽的參數(shù)，參數(shù)包括梯形凹槽的上底 11、下底1和深度11; 2) 將梯形凹槽中填充的介質(zhì)分為p層等高的矩形介質(zhì)，高度為1，同時(shí)將梯形結(jié)構(gòu)分為p 層等高的矩形金屬，相鄰且等高的矩形金屬和矩形介質(zhì)為一個(gè)矩形結(jié)構(gòu)，每一層的周期性 的等高的矩形結(jié)構(gòu)形成一層矩形混合金屬 -介質(zhì)光柵，共P層矩形混合金屬-介質(zhì)光柵，pX 1 = h，p為彡2的自然數(shù)； 3) 得到本征頻率： 給定步驟2)中每一層規(guī)則的矩形混合金屬-介質(zhì)光柵的周期單個(gè)相移從0度到180度， 基于有限積分算法，得到一層矩形混合金屬-介質(zhì)光柵的本征頻率，作為初始值，滿足每一 層矩形混合金屬-介質(zhì)光柵的邊界條件E z.kk--±o.5wt =〇，Ez為電場分量，同時(shí)通過帶入Wk = Wh+2* | U-L | /p迭代求解p層矩形混合金屬-介質(zhì)光柵的本征頻率，直至迭代結(jié)果穩(wěn)定后，以 穩(wěn)定的結(jié)果作為混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵的本征頻率f，其中，Wk為第k層矩形介質(zhì) 的邊長，k=l，......，p; 4) 通過步驟3)的計(jì)算結(jié)果得到歸一化的周期相移和本征頻率的關(guān)系，在0~180度內(nèi)得 到歸一化的相移-本征頻率曲線，即色散曲線； 5) 得到傳輸損耗： 在步驟4)得到色散曲線的基礎(chǔ)上，在色散曲線上求得特定頻率下電磁波的群速度vg，vg =A f/Aen，foi為SSP的軸向傳播波矢，再通過有限積分算法，求得一層矩形混合金屬-介質(zhì) 光柵的品質(zhì)因素 Q，作為初始值，滿足每一層矩形混合金屬_介質(zhì)光柵的邊界條件 Ez. k|x=±o.5wt =〇:_，Ez為電場分量，同時(shí)通過帶入Wk = Wk-1+2* I U-L I /p迭代求解p層矩形混合金 屬-介質(zhì)光柵的本征頻率，直至迭代結(jié)果穩(wěn)定后，以穩(wěn)定的結(jié)果作為混合型的金屬-介質(zhì)SSP 周期光柵的品質(zhì)因素 Q，根據(jù)計(jì)算公式a = (3iXf)/(VgXQ)得到傳輸損耗a。7. -種如權(quán)利要求1所述的混合型的金屬-介質(zhì)SSP周期光柵用于太赫茲波導(dǎo)的用途。
【文檔編號(hào)】G02B6/124GK106054291SQ201610428936
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年6月16日
【發(fā)明人】劉永強(qiáng), 杜朝海, 劉濮鯤
【申請(qǐng)人】北京大學(xué)