一種雙頻帶表面等離子體諧振腔的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及超材料諧振腔領(lǐng)域，提供一種在微波等低頻段內(nèi)實現(xiàn)局域表面等離子體共振的人工腔體結(jié)構(gòu)，其特征在于通過在腔內(nèi)壁開恒定周期的溝槽，溝槽內(nèi)填充有介質(zhì)材料，材料的介電常數(shù)是均勻的，來增強(qiáng)電磁波在腔內(nèi)壁上的滲透。諧振腔的溝槽有兩種深度模式，在圓周方向上交錯均勻分布，使得單個結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)多個頻段內(nèi)的諧振，實現(xiàn)局域表面等離子體共振。
【專利說明】一種雙頻帶表面等離子體諧振腔

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種諧振腔結(jié)構(gòu)，尤其涉及一種基于人工局域表面等離子體共振的諧振腔。

【背景技術(shù)】
[0002]局域表面等離子體激元(Localized Surface Plasmon,簡稱LSP)是指束縛在金屬表面的一種局域型電磁波模式，它由光和金屬表面自由電子的相互作用引起的，它局限于金屬與介質(zhì)界面附近，能形成增強(qiáng)近場。由于金屬的等離子頻率一般都在紫外波段，在微波段，電磁波難以滲透，金屬近似表現(xiàn)為理想導(dǎo)體(Perfect Electric Conductor, PEC)。在這些情況下，金屬表面是不能激發(fā)出LSP波的。近年來，為了將局域表面等離子體的概念引入到低頻(遠(yuǎn)紅外，太赫茲和微波毫米波頻率)，Pendry教授等人共同提出了人工局域表面等離子體激元(Spoof Localized Surface Plasmon,簡稱SLSP)的概念。通過在金屬結(jié)構(gòu)上開一定周期的溝槽，溝槽的尺寸和間隔都小于波長，以增強(qiáng)電磁波的滲透作用，從而降低金屬表層的等離子頻率。這樣在微波頻段內(nèi)，也可以觀察到類似光學(xué)LSP性質(zhì)的現(xiàn)象。2013年，東南大學(xué)的崔鐵軍教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，提出并實驗證明了在微波頻段的多次諧振的人工局域表面等離子激元結(jié)構(gòu)，制作了超薄平面溝槽金屬結(jié)構(gòu)，首次在微波段證實了 SLSP現(xiàn)象，引起了研究者的極大興趣。但是對于傳統(tǒng)的微腔結(jié)構(gòu)，還沒有在微波段能支持等離子多頻諧振的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]技術(shù)問題:本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:為克服現(xiàn)有技術(shù)中傳統(tǒng)微波諧振腔無法激勵表面等離子多頻諧振的問題，本發(fā)明在深入研究SLSP的工作機(jī)理的基礎(chǔ)上，借鑒外開溝槽柱面激發(fā)SLSP的思想，選取周期性溝槽的人工亞波長結(jié)構(gòu)環(huán)繞成圓周，提供一種可以實現(xiàn)微波段等低頻段內(nèi)多頻諧振的人工局域表面等離子諧振腔，該諧振腔具有良好的能量局域性。
[0004]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的:
[0005]一種人工局域表面等離子體的諧振腔結(jié)構(gòu)，其特征在于:諧振腔的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是兩端封閉的金屬圓筒，金屬圓筒的內(nèi)壁設(shè)有沿圓周均勻分布的兩種軸向溝槽，兩種軸向溝槽的深度不同且均小于金屬圓筒的厚度，兩種軸向溝槽按恒定周期交錯分布，溝槽內(nèi)填充有介質(zhì)材料。
[0006]本發(fā)明具有如下有益效果:
[0007]1.本發(fā)明主要提出一種實現(xiàn)SLSP的諧振腔，結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，腔內(nèi)的溝槽填充有均勻介電常數(shù)的介質(zhì)，增強(qiáng)了電磁波在腔內(nèi)壁上的滲透。
[0008]2.本發(fā)明腔內(nèi)設(shè)計為不同深度的溝槽(深槽和淺槽)，使得諧振腔可以同時完成帶有單獨深槽或者淺槽的微波諧振腔結(jié)構(gòu)的功能，單個結(jié)構(gòu)即可實現(xiàn)多個頻段內(nèi)的諧振，實現(xiàn)局域表面等離子體共振。而微波諧振腔(深槽和淺槽)有兩個主模諧振頻率，分別為3.55GHz和7.68GHz，本發(fā)明結(jié)構(gòu)可以同時發(fā)生兩個模式上的諧振。雙周期的設(shè)置，使得諧振腔能在不同的頻段內(nèi)工作，產(chǎn)品應(yīng)用范圍廣，節(jié)約了成本。
[0009]3、本發(fā)明可以通過調(diào)節(jié)諧振腔的軸向溝槽深度或改變溝槽內(nèi)的介質(zhì)材料來調(diào)節(jié)諧振頻率，比如溝槽深度的提高或者使用更高介電常數(shù)的材料可以有效降低諧振腔的諧振頻率，這樣使得諧振腔可以適應(yīng)不同的波段，為等離子超材料器件的低頻化應(yīng)用提供了良好的發(fā)展前景。

【專利附圖】

【附圖說明】
:
[0010]圖1(a)是實施例一的俯視圖；
[0011]圖1 (b)是分別開有恒定深度周期結(jié)構(gòu)的俯視圖
[0012]圖2(a)是實施例二結(jié)構(gòu)諧振腔中雙槽和單淺槽結(jié)構(gòu)的色散特性曲線比較圖；
[0013]圖2(b)是實施例二結(jié)構(gòu)諧振腔中雙槽和單深槽結(jié)構(gòu)的色散特性曲線比較圖。
具體實施方案:
[0014]下面結(jié)合附圖對技術(shù)方案的實施作進(jìn)一步的詳細(xì)描述:
[0015]實施例一
[0016]如圖1(a)所示，諧振腔的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是兩端封閉(兩端采用與金屬圓筒橫截面面積匹配的圓形金屬板封閉)的具有一定厚度的金屬圓筒，金屬圓筒橫截面內(nèi)徑為r，其內(nèi)壁設(shè)有沿圓周均勻分布的兩種軸向溝槽，每個溝槽對應(yīng)的圓心角相等，橫截面為扇形。兩種軸向溝槽具有不同的深度札-r (深槽)和R2_r (淺槽)，R^R2, R1^R2分別表示兩種溝槽最大弧度處的半徑，一般而言，表面等離子體結(jié)構(gòu)的漸進(jìn)頻率有一個近似公式，fa = c/(4hng)，其中c為光速，Ii = R1 (2)-r為槽的深度，ng表示溝槽內(nèi)材料的折射率，從這里可以清楚的看到結(jié)構(gòu)的參數(shù)影響諧振腔的工作頻率。兩種溝槽按恒定周期交錯分布，深槽和淺槽的數(shù)量相等。假設(shè)深槽和淺槽數(shù)量均為N，則恒定周期在金屬圓筒橫截面內(nèi)圓周上對應(yīng)的弧度為d = 2 π r/No圖中al、a2分別表示深槽和淺槽扇形橫截面的最大弧度。根據(jù)Pendry論文的理論,溝槽所占弧度與每個周期的弧度之比也將對諧振腔的諧振頻率產(chǎn)生影響。另外，金屬圓筒的高度和厚度不作要求，只要滿足外壁為良導(dǎo)體邊界，都可以激發(fā)出LSP的諧振現(xiàn)象。人工表面等離子體共振由恒定深度的周期溝槽來激發(fā)。圖1(b)是分別開有單周期溝槽(淺槽和深槽)的諧振腔結(jié)構(gòu)。圖中區(qū)域I為空氣腔，區(qū)域II為填充有介質(zhì)材料的溝槽部分，區(qū)域III為金屬材料部分。
[0017]實施例二
[0018]以如圖1(a)所示諧振腔為例，半徑r= 1.33毫米，溝槽最大弧度處半徑分別為R1=5毫米，R2 = 3.33毫米,不同的槽深決定了結(jié)構(gòu)不同的諧振頻率。填充介質(zhì)材料的介電常數(shù)等于25，填充介質(zhì)材料可以降低諧振腔的諧振頻率。根據(jù)等效媒質(zhì)理論，周期數(shù)設(shè)置越多效果越好，但是溝槽數(shù)增加會帶來加工的不便，這里我們折中取沿圓周方向周期分布N=120個槽，其中深槽和淺槽各有60個，且交錯均勻分布。
[0019]根據(jù)實施例二，利用電磁仿真軟件可得到如圖2所示的色散曲線，為了便于仿真，此時金屬圓筒的厚度設(shè)置為0，由于色散曲線位于光線右側(cè)，說明該結(jié)構(gòu)發(fā)生了表面等離子體共振現(xiàn)象，如果不開溝槽，在微波頻段內(nèi)腔體一般是不可以激發(fā)出局域表面等離子體共振的。除非是頻率提高到了光波段，金屬不再是良導(dǎo)體，可以使用Drude模型來分析。但是由于加入了雙周期溝槽，不僅實現(xiàn)了表面等離子體共振，而且實現(xiàn)了雙頻帶的諧振。圖2 (a)為本發(fā)明諧振腔的第一個諧振模式的色散曲線，以及開有單獨槽深(深槽)的腔體的色散曲線，我們發(fā)現(xiàn)兩者的色散曲線是基本接近的，同樣的發(fā)現(xiàn)可以從圖2(b)中看到，淺槽和雙周期槽結(jié)構(gòu)的色散曲線也是類似的。這說明本發(fā)明諧振腔結(jié)構(gòu)在多頻帶內(nèi)實現(xiàn)了人工局域表面等離子體共振。
【權(quán)利要求】
1.一種人工局域表面等離子體的諧振腔結(jié)構(gòu)，其特征在于:諧振腔的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是兩端封閉的金屬圓筒，金屬圓筒的內(nèi)壁設(shè)有沿圓周均勻分布的兩種軸向溝槽，兩種軸向溝槽的深度不同且均小于金屬圓筒的厚度，兩種軸向溝槽按恒定周期交錯分布，溝槽內(nèi)填充有介質(zhì)材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧振腔結(jié)構(gòu)，其特征在于溝槽內(nèi)的介質(zhì)材料的介電常數(shù)均勻。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧振腔結(jié)構(gòu)，其特征在于溝槽的橫截面為扇形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的諧振腔結(jié)構(gòu)，其特征在于每個溝槽對應(yīng)的圓心角相等。
【文檔編號】H01J37/32GK104167346SQ201410318728
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年7月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月4日
【發(fā)明者】許秉正, 李茁, 顧長青, 劉亮亮, 寧蘋蘋, 陳晨 申請人:南京航空航天大學(xué)