專利名稱：倏逝波諧振腔的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種倏逝波諧振腔，尤其涉及一種由超材料制成的倏逝波諧振腔。
背景技術：
倏逝波在光學領域已經(jīng)得到廣泛的研究和應用，當一束光線從光密介質向光疏介質傳播時，若入射角大于臨界角，入射光線將全部反射回光密介質中，這種現(xiàn)象稱為全反射。實驗表明，在全反射時光波在反射面的外側并不立即消失，而是透射進入光疏介質靠近界面附近很薄的一層表面，沿界面?zhèn)鞑ヒ欢ň嚯x，最后返回光密介質，那么這種存在于界面附近的光波稱為倏逝波。也被稱為衰減波凋落波倏逝波是光學家研究的核心對象，其特點是振幅沿某個空間方向迅速地按指數(shù)規(guī)律下降而其相位無變化(相位常數(shù)3=0)?！?br> 倏逝波是一種非輻射近場波，包含很多近場精細結構信息，在近場光學顯微鏡、光纖倏逝波生物傳感器、表面等離子體光學元件等方面都具有很廣泛的應用。根據(jù)麥克斯韋(Maxwell)著名的電磁場動力學理論,確立了光與電磁波的同一丨I"生的重要學說。由上述理論可推導出當電磁波在波導介質中傳播時，微波頻率f小于波導的截止頻率fc時，電磁波被截止，即產(chǎn)生倏逝場。因此，在構建同軸諧振腔體時必須滿足上述條件才有可能產(chǎn)生倏逝波。如圖I所示，即現(xiàn)有的產(chǎn)生倏逝波的同軸共振諧振腔10，諧振腔體200由兩個同軸的外圓柱型銅軸20和內圓柱型銅軸21構成，內圓柱型銅軸21為實心體；在外圓柱型銅軸20和內圓柱型銅軸21之間形成中空腔體22。在內圓柱型銅軸21的上端金屬針尖201安置在共振腔的開端的中心導體上，金屬針尖201延至外殼體的表面附近的開口處100，使針尖恰好位于電磁波共振腔的峰值電位處，此峰值微波電場被轉至針尖，電磁波在針尖末端被截止而形成倏逝場。但是，上述圓柱型銅軸倏逝波諧振腔制造工藝要求苛刻且成本相對較高。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是使倏逝波諧振腔制造工藝簡單且降低了倏逝波諧振腔的設計、生產(chǎn)成本。本發(fā)明解決上述技術問題所采用的技術方案是一種倏逝波諧振腔包括一諧振腔本體，所述倏逝波諧振腔還包括由超材料制成的波導單元和設置于諧振腔本體內的金屬針體，所述波導單元設置于所述諧振腔本體內且包裹所述金屬針體；所述波導單元包括一第一波導區(qū)域，所述第一波導區(qū)域的介電常數(shù)從所述一端到另一端逐漸變小。進一步地，所述波導單元還包括設置于第一波導區(qū)域的第一端的第二波導區(qū)域，所述第二波導區(qū)域的介電常數(shù)均勻不變的。進一步地，所述第二波導區(qū)域的介電常數(shù)略大于第一波導區(qū)域的第一端的介電常數(shù)。進一步地，所述諧振腔本體為采用金屬材料制成的圓柱形金屬腔體，所述金屬針體設置于圓柱形金屬腔體中心軸上。
進一步地，所述第二波導區(qū)域由多片超材料片層疊加形成，每一超材料片層都對應唯一的介電常數(shù)，每一超材料片層包括片狀基板和附著在所述片狀基板上的多個人造微結構。進一步地，所述片狀基板選用陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料及鐵磁材料中的任意一種。進一步地，所述每一超材料片層劃分為多個陣列排布的立方形基材單元，同一片狀基板的每個基材單元完全相同。進一步地，所述人造微結構是以幾何圖案附著在所述片狀基板上 的金屬線，金屬線可以是剖面為圓柱狀或者扁平狀的銅線和銀線；所述金屬線通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻工藝附著在片狀基板上。進一步地，所述人造微結構為平面結構且其附著在片狀基板表面上或者所述人造 微結構為三維立體結構且附著在片狀基板內部。進一步地，所述人造微結構為工字形的衍生形、雪花狀、雪花狀的衍生形、正四面體框、五棱柱框及圓環(huán)中的任意一種。相對于現(xiàn)有技術，在諧振腔內填充介電常數(shù)逐漸變化超材料，當電磁波在諧振腔傳播時，從傳導模逐漸變成截止模而產(chǎn)生倏逝場，從而使倏逝波諧振腔制造工藝簡單且降低了倏逝波諧振腔的設計、生產(chǎn)成本。


圖I為現(xiàn)有技術的圓柱型銅軸的倏逝波諧振腔橫截面示意圖。圖2為本發(fā)明一實施方式中由超材料制成的倏逝波諧振腔立體示意圖。圖3為圖2所示倏逝波諧振腔橫截面示意圖。圖4為圖2所示倏逝波諧振腔中的波導單元介電常數(shù)漸變示意圖。圖5是圖4所示波導單元的介電常數(shù)漸變超材料結構示意圖。圖6為圖4所示波導單元中的另一種‘雪花狀’人造微結構。圖7為圖4所示波導單元中的人造微結構的一種具體形式‘雪花狀’結構的又一種衍生結構。圖8為圖4所示波導單元中的一種正四面體的人造微結構。
具體實施例方式下面結合相關附圖及具體實施例對本發(fā)明做進一步的描述圖2為本發(fā)明一實施方式中倏逝波諧振腔立體示意圖。所述倏逝波諧振腔11包括諧振腔本體31、在諧振腔本體31內填充由超材料制成的波導單元33及設置于諧振腔本體31內的一金屬針體35。所述金屬針體35包裹于所述波導單元33中。在本實施方式中，所述諧振腔本體31采用金屬材料制成的圓柱形金屬腔體，所述金屬針體35設置于圓柱形金屬腔體中心軸上，所述波導單元33設置于諧振腔本體31與金屬針體35之間。請一并參閱圖3，為倏逝波諧振腔橫截面示意圖。所述波導單元33的是不均勻的，即其介電常數(shù)e從波導單元33的一端到另一端逐漸變小。當電磁波從倏逝波諧振腔11介電常數(shù)e大的一端射入后并在波導單元33中傳播時，由于波導單元33介電常數(shù)e逐漸變小，電磁波在波導單元33和金屬針35的作用下，使電磁波頻率f小于波導單元33的截止頻率fc而被截止，從而在第二端13的金屬針體35末端附近空間產(chǎn)生倏逝場。當該金屬腔體內未填充所述超材料制成的波導單元33時，且其尺寸或橫截面面積設計足夠小的情況下，即不能滿足電磁波波長傳播條件時，電磁波無法在金屬腔體內傳播。當金屬腔體填充超材料制成的波導單元33后，傳輸電磁波的介質的介電常數(shù)e增加，無形增大了金屬腔體橫截面而得以使電磁波在所述倏逝波諧振腔11內傳播，這樣也實現(xiàn)了諧振腔本體31小型化，節(jié)約了制造諧振腔本體31的材料。請參閱圖4，為所述倏逝波諧振腔的波導單元介電常數(shù)漸變示意圖。在本實施方式中，波導單元33包括第一波導區(qū)域301和第二波導區(qū)域302，第一波導區(qū)域301包括第一端15和第二端13，從一波導區(qū)域301的第一端15到第二端13的介電常數(shù)e是逐漸變化的，即其介電常數(shù)h，e2，e 3，. . . ％逐漸變化，其中ep e 2 > e 3 > > en，n為自然數(shù)。所述第一波導區(qū)域301的介電常數(shù)e均勻不變的且略大于第一波導區(qū)域301的第一端的介電常數(shù)。第二波導區(qū)域302的。·以下將對超材料制成的波導單元設計做詳細的說明第二波導區(qū)域302的設計如圖5所示，為波導單元33的第二波導區(qū)域302部分結構示意圖。所述第二波導區(qū)域302由多片超材料片層疊加形成，所述每一材料片層都對應唯一的介電常數(shù)(ee2、、、en，其中e2>、、、> en)。每一材料片層包括片狀基板2和附著在片狀基板2上的多個人造微結構3。所述片狀基板2的基材單元上的人造微結構的尺寸大小相同，由此使得所述超材料片層2上各個區(qū)域的等效介電常數(shù)e不變，即為介電常數(shù)均勻分布的超材料片層。所述每一片片狀基板2劃分為多個陣列排布的立方形基材單元，每個基材單元完全相同，每個基材單元與其上的人造微結構構成一個超材料單元。人造微結構3附著在片狀基板上包括有兩種情況一種是人造微結構3為平面結構，其附著在片狀基板2前表面上；另一種是人造微結構3為三維立體結構，其附著在片狀基板2內部。每個人造微結構3通常是由銀、銅等金屬絲線組成的，也可以由非金屬絲線組成。這些絲線連接被刻在片狀基板2表面或內部并構成一定的幾何圖形。將片狀基板2劃分成很多個相等的立方體基材單元，例如為長、寬、高均為入射電磁波波長的十分之一的立方體，每個基材單元與其上的人造微結構構成一個超材料單元，附圖中只是示意性的，實際應用時，每個超材料片層2包括數(shù)以萬計的超材料單元。上述片狀基板2采用介電絕緣材料制成，可以為陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料、鐵磁材料等，例如環(huán)氧樹脂、聚四氟乙烯等高分子材料。人造微結構為以一定的幾何形狀附著在片狀基板2上的金屬線，金屬線可以是剖面為圓柱狀或者扁平狀的銅線、銀線等，當然金屬線的剖面也可以為其他形狀，金屬線通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻等工藝附著在片狀基板上。所述第一波導區(qū)域301中的人造微結構尺寸從一端(即相當于圖3中第一端15)到另一端(即相當于圖3中第二端13)逐漸變小，在第一波導區(qū)域301的底端的超材料層中雪花狀人造微結構的尺寸最大，而在第一波導區(qū)域301的頂端的超材料層中雪花狀人造微結構的尺寸最?。灰虼似涞刃Ы殡姵?shù)e由從一端到另一端逐漸變小。從而采用介電常數(shù)e逐漸變化的如圖5所示片狀基板疊加形成所述第一波導區(qū)域301。另外，上述實施例中，通過每一片狀結構中的人造微結構3按一定比例逐漸縮小來實現(xiàn)介電常數(shù)的規(guī)律分布，當然，也可以通過逐漸減短人造微結構的某一根或幾根絲線從而使基材單元的絲線含量逐漸減少從而達到介電常數(shù)逐漸減小的目的。在其他實施例中，三維的人造微結構3也有很多種實現(xiàn)方式，可以是圖6所示的在三維空間中各條邊相互垂直的雪花狀及圖7所示的雪花狀的衍生結構，也可以是其他的幾何形狀，其中不同的人造微結構可以是圖案相同，還可以如圖8所示的由四根金屬絲相接構成的正四面體框，還可以是其他任意三維結構如任意空間曲線、五棱柱框、圓環(huán)等等。第二波導區(qū)域302的設計由上可知，采用介電常數(shù)￡相同至少一片片狀基板2疊加形成所述第二波導區(qū)域 302即可。本發(fā)明的使用介電常數(shù)逐漸變化的片狀基板疊加來實現(xiàn)，即改變每個超材料片層上的人造微結構即可改變相應部位的介電常數(shù)，因此通過統(tǒng)一設計各個人造微結構的具體形狀和結構即可得到有序變化的介電常數(shù)，從而形成非均勻且介電常數(shù)漸變的材料，進而實現(xiàn)電磁波在介電常數(shù)逐漸變小超材料傳播時使電磁波頻率f小于截止頻率fc而被截止，即產(chǎn)生倏逝場。從而降低制造倏逝場諧振腔制造工藝的難度，進一步降低制造成本。因此，上面結合附圖對本發(fā)明的實施例進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護之內。
權利要求
1.一種倏逝波諧振腔，包括一諧振腔本體，其特征在于，所述倏逝波諧振腔還包括由超材料制成的波導單元和設置于諧振腔本體內的金屬針體，所述波導單元設置于所述諧振腔本體內且包裹所述金屬針體；所述波導單元包括一第一波導區(qū)域，所述第一波導區(qū)域包括一第一端和一第二端，所述第一波導區(qū)域的介電常數(shù)從所述第一端到第二端逐漸變小。
2.根據(jù)權利要求I所述的倏逝波諧振腔，其特征在于，所述波導單元還包括設置于第一波導區(qū)域的第一端的第二波導區(qū)域，所述第二波導區(qū)域的介電常數(shù)均勻不變。
3.根據(jù)權利要求2所述的倏逝波諧振腔，其特征在于，所述第二波導區(qū)域的介電常數(shù)略大于第一波導區(qū)域的第一端的介電常數(shù)。
4.根據(jù)權利要求I所述的倏逝波諧振腔，其特征在于，所述諧振腔本體為采用金屬材料制成的圓柱形金屬腔體，所述金屬針體設置于圓柱形金屬腔體中心軸上。
5.根據(jù)權利要求3所述的倏逝波諧振腔，其特征在于，所述第二波導區(qū)域由多片超材料片層疊加形成，每一超材料片層都對應唯一的介電常數(shù)，每一超材料片層包括片狀基板和附著在所述片狀基板上的多個人造微結構。
6.根據(jù)權利要求5所述的倏逝波諧振腔，其特征在于，所述片狀基板選用陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料及鐵磁材料中的任意一種材料制成。
7.根據(jù)權利要求5所述的倏逝波諧振腔，其特征在于，所述每一片狀基板劃分為多個陣列排布的立方形基材單元，同一片狀基板的每個基材單元完全相同，每個基材單元與其上的人造微結構構成一個超材料單元。
8.根據(jù)權利要求5所述的倏逝波諧振腔，其特征在于，所述人造微結構是以幾何圖案附著在所述片狀基板上的金屬線，金屬線可以是剖面為圓柱狀或者扁平狀的銅線和銀線；所述金屬線通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻工藝附著在片狀基板上。
9.根據(jù)權利要求5所述的倏逝波諧振腔，其特征在于，所述人造微結構為平面結構且其附著在片狀基板表面上或者所述人造微結構為三維立體結構且附著在片狀基板內部。
10.根據(jù)權利要求5所述的倏逝波諧振腔，其特征在于，所述人造微結構為工字形的衍生形、雪花狀、雪花狀的衍生形、正四面體框、五棱柱框及圓環(huán)中的任意一種。
全文摘要
一種倏逝波諧振腔包括一諧振腔本體、由超材料制成的波導單元和設置于諧振腔本體內的金屬針體，所述波導單元設置于所述諧振腔本體內且包裹所述金屬針體；所述波導單元包括一第一波導區(qū)域，所述第一波導區(qū)域包括一第一端和一第二端，所述第一波導區(qū)域的介電常數(shù)從所述第一端到第二端逐漸變小。通過在諧振腔內填充介電常數(shù)逐漸變化超材料，當電磁波在諧振腔傳播時，從傳導模逐漸變成截止模而產(chǎn)生倏逝場，從而使倏逝波諧振腔制造工藝簡單且降低了倏逝波諧振腔的設計、生產(chǎn)成本。
文檔編號H01P7/06GK102751556SQ201110102018
公開日2012年10月24日 申請日期2011年4月22日 優(yōu)先權日2011年4月22日
發(fā)明者劉若鵬, 張洋洋, 徐冠雄, 王文劍 申請人:深圳光啟創(chuàng)新技術有限公司, 深圳光啟高等理工研究院