CN101876756A - 一种能实现光速减慢的亚波长金属微结构阵列 - Google Patents
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Abstract
一种能实现光速减慢的亚波长金属微结构阵列，包括亚波长金属微结构阵列和衬底层，构成亚波长金属微结构阵列的单元由一条连续金属线和两条金属短线构成，连续金属线与金属短线之间设有间距，入射的电磁波为s偏振正入射，亚波长金属微结构阵列的周期小于电磁波的波长。本发明的优点是：该亚波长金属微结构阵列可以实现电磁波传播速度减慢；该亚波长金属微结构阵列结构简单、制备容易且制备材料获取方便，适用范围非常广泛，利用这种器件，在一定的波长范围内，实现不同电磁应用要求，包括光信号存储及缓冲、光通讯、光学计算和增强的非线性效应等。
Description
技术领域
本发明涉及实现光速减慢的透射结构技术，特别是一种能实现光速减慢的亚波长金属微结构阵列。
背景技术
实现对电磁波波速的调控有很重要的意义，不仅能加深对光与物质相互作用机制的理解，而且在其它许多方面也有重要的应用前景。光速减慢，意味着电磁波在介质中的传播速度远小于其在真空中的传播速度，在全光网络、光存储、光学通讯、光学计算技术和增强非线性效应等方面有着潜在的巨大应用。在潜在巨大应用前景的推动下，研究工作者发展了各种各样的方法来实现光速减慢，例如在原子气体系中的电磁感应透明、在经典线性系统中的类电磁感应透明现象及微腔耦合阵列等。在经典线性系统中，类电磁感应透明现象可以克服原子气体系中的电磁感应透明效应对温度、压强等条件的苛刻要求，而且不需要另加的泵浦光，这些优点使得在室温条件下实现光速减慢成为可能。
2008年，英国南安普敦大学的Zheludev小组，首先从理论和实验上在平板特异介质中实现了类电磁感应透明现象，成果发表在Phys.Rev.Lett.上；与此同时加州理工大学伯克利分校的张翔小组，也在理论上提出了在特异介质中实现类电磁感应透明现象的相关理论，该成果也发表在Phys.Rev.Lett.上。由于以金属微结构阵列构成的特异介质具有可塑性，其在传输方向的厚度远小于电磁波的波长，而且不需要泵浦光的参与，这些具大的优点对于潜在的实际应用能提供积极的意义。
综上所述，结构简单而且易于加工的金属微结构阵列，以实现类电磁感应透明现象，从而达到光速减慢的效果，具有非常重要的意义。可以运用到许多具有推广前景的实际应用中，而且工作波长可以从微波延伸到可见光波段。但是现有技术中，金属微结构阵列的结构设计和制备方法比较复杂且不容易加工。
发明内容
本发明的目的是针对上述存在问题，提出一种结构简单、成本低、加工容易、适用面广的能实现光速减慢的亚波长金属微结构阵列。
本发明的技术方案：
一种能实现光速减慢的亚波长金属微结构阵列，包括亚波长金属微结构阵列和衬底层，亚波长金属微结构阵列支撑于衬底层的单面，构成亚波长金属微结构阵列的单元由一条连续金属线和两条金属短线构成，两条金属短线分别位于连续金属线的两边，连续金属线与金属短线之间设有间距，金属短线的长度小于连续金属线的长度，入射的电磁波为s偏振(电场方向沿着金属线方向)正入射，亚波长金属微结构阵列的周期小于电磁波的波长，其在传输方向的厚度为电磁波波长的十分之一至五分之一。
所述构成亚波长金属微结构阵列的单元，在微波区间，单元尺寸为4mm×8mm；连续金属线采用铜片，其厚度为18μm、宽度为2mm；金属短线采用铜片，其厚度为18μm、宽度为0.5mm、长度为7mm；连续金属线与金属短线之间的间距为0.5mm；微波区间的工作频率为14.26GHz。
所述构成亚波长金属微结构阵列的单元，在THz区间，单元尺寸为40μm×80μm；连续金属线采用金片，其厚度为200nm、宽度为20μm；金属短线采用金片，其厚度为200nm、宽度为5μm、长度为70μm；连续金属线与金属短线之间的间距为5μm；微波区间的工作频率为1.5THz。
所述能实现光速减慢的亚波长金属微结构阵列，其特征是：微波工作区间，衬底层为CGN500-NF-3006该电路板的介电层；THz工作区间，衬底层为介电常数为11.7的硅。
本发明的工作原理：
该结构的光速减慢特性基于在经典光学范畴内的类电磁感应透明机制，通过该金属微结构阵列的s偏振的电磁波具有远小于真空中光速的群速度，而且通过改变微结构单元内金属线的间距和对称性，调节工作波长和群速度大小。不同的结构参数对应于不同的波长，所以可以实现从可见光到中红外乃至微波区间的特殊滤波要求。
对于入射到只存在金属短线的微结构阵列的s偏振正入射光，存在着基于局域共振的谐振模式，对应着最低激发模式的偶极共振，在透射谱上会出现一个谷，对应着强反射；而对于入射到只存在连续金属线的微结构阵列的s偏振入射光，该微结构阵列的电磁波特性类比于稀释的电子气；当两种金属线经过适当的组合，由于存在着耦合作用，连续金属线在微结构单元内部提供了金属短线的映像结构，从而在某一频率区间会出现一个由于耦合作用造成透明窗口，在该透明窗口电磁波的群速度要远小于真空中的光速，从而实现光速减慢。
该透明窗口出现的物理机制是近场耦合效应导致的金属线间反对称表面电流模式。在远场区，具有反对称性的表面电流模式相互干涉相消，从而很大程度上降低了辐射损耗，增强了透射率。该模式通常被称为陷模或者是亚辐射模式。由于该模式与外界电磁背景的相互作用很弱，可以在很薄的样品(小于五分之一波长)中实现高品质因子的谐振，从而实现光速减慢。
对于多层结构而言，层与层之间的耦合会影响光速减慢和透明窗口的位置。在级联多层结构中获得更高的光速减慢效果时，须尽量减弱层与层之间的耦合引起的效应。
可以根据需要设计实际的微结构参数，选取合适的材料。可见光波段需要考虑金属色散的影响，为了降低金属的损耗，可选用金或银。
本发明的优点是：该亚波长金属微结构阵列可以实现电磁波传播速度减慢，利用这种器件，在一定的波长范围内，实现不同电磁应用要求，包括光信号存储及缓冲、光通讯、光学计算和增强的非线性效应等；该亚波长金属微结构阵列结构简单、制备容易且制备材料获取方便，适用范围非常广泛，从微波波段到可见光波段均可实现无高阶衍射模式噪音的各种应用。
附图说明
图1为构成亚波长金属微结构阵列的单元结构示意图。
图中：1.连续金属线 2-I、2-II金属短线 3.衬底层
具体实施方式
实施例1：微波区间的光速减慢效应
一种能实现光速减慢的亚波长金属微结构阵列，包括亚波长金属微结构阵列和衬底层，衬底层采用双面镀铜的商业电路板CGN500-NF-3006，其介电参数为2.3、损耗因子为0.0008、厚度为0.5mm，构成亚波长金属微结构阵列的单元的金属线采用厚度为18μm铜片并通过刻蚀技术去掉电路板一面的铜，另一面刻蚀微结构单元，设定工作频率为14GHz附近，选取的微结构单元大小为4mm×8mm、连续金属线的宽度为2mm、连续金属线两边金属短线的长度均为为7mm、宽度为0.5mm、对称分布，连续金属线与金属短线之间的间距为0.5mm。
通过测量获得工作频率在14.26GHz的透明窗口，该窗口的透射率接近于1，而且群有效折射率为17.64，电磁波的群速度减慢为真空光速的0.06。
通过调节单元内连续金属线的宽度(0.1-2.9mm)，可以实现工作频率和群有效折射率的双重调节，即增加连续金属线的宽度，可以增加群有效折射率(4-50)，从而进一步实现光速减慢，但是这也会调节工作频率(10.15-15.93GHz)。
通过调节单元内连续金属线中心相对于中心对称轴的位置(0-0.4mm)，群有效折射率的调节范围为17.64-23.00。
对于多层的级联结构，以两层微结构单元为例，微结构单元在光传播方向的长度取为4mm(0.19λ)，对于两层的微结构单元，有效厚度为8mm，可以实现2.9倍于单层微结构单元的延时。
实施例2：高频区间的光速减慢效应
对于微波区间，由于特征波长长，因而所构成的微结构单元的尺度也相应的取较大值，制备精度采用传统的电路板刻蚀工艺已满足其需求。但是对于高频区间，特别是可见光波段，对微加工技术的要求会越来越苛刻。通常可以先通过磁控溅射工艺制作单层金属薄膜，然后用聚焦离子束刻蚀方法制作微结构阵列。所述几何尺寸是根据工作波长范围给定的，所以波长越长，几何尺寸可以越大。
该实施例中，构成亚波长微结构阵列的金属为金片(选取其电导为7×106S/m)，厚度为200nm；衬底层的介电常数取为11.7，厚度取为200nm；金属微结构阵列的几何结构参数选取如下：单元尺寸为40μm×80μm、连续金属线的宽度为20μm、金属短线的长度为70μm、宽度均为5μm，对称分布于连续金属线两侧，连续金属线与金属短线的间距为5μm，在传播方向的有效厚度取为40μm(0.2λ)。检测显示获得工作频率为1.5THz，所得到的有效的群折射率为25，电磁波的群速度减为真空中光速的0.04。
同样的通过调节结构参数，连续金属线的位置，也可以获得在微波区间类似的变化特性。但是由于微加工工艺的限制，加工样品时应该充分考虑工艺的限制。
Claims (4)
1.一种能实现光速减慢的亚波长金属微结构阵列，其特征是：包括亚波长金属微结构阵列和衬底层，亚波长金属微结构阵列支撑于衬底层的单面，构成亚波长金属微结构阵列的单元由一条连续金属线和两条金属短线构成，两条金属短线分别位于连续金属线的两边，连续金属线与金属短线之间设有间距，金属短线的长度小于连续金属线的长度，入射的电磁波为s偏振(电场方向沿着金属线方向)正入射，亚波长金属微结构阵列的周期小于电磁波的波长，其在传输方向的厚度为电磁波波长的十分之一至五分之一。
2.根据权利要求1所述能实现光速减慢的亚波长金属微结构阵列，其特征是：所述构成亚波长金属微结构阵列的单元，在微波区间，单元尺寸为4mm×8mm；连续金属线采用铜片，其厚度为18μm、宽度为2mm；金属短线采用铜片，其厚度为18μm、宽度为0.5mm、长度为7mm；连续金属线与金属短线之间的间距为0.5mm；微波区间的工作频率为14.26GHz。
3.根据权利要求1所述能实现光速减慢的亚波长金属微结构阵列，其特征是：所述构成亚波长金属微结构阵列的单元，在THz区间，单元尺寸为40μm×80μm；连续金属线采用金片，其厚度为200nm、宽度为20μm；金属短线采用金片，其厚度为200nm、宽度为5μm、长度为70μm；连续金属线与金属短线之间的间距为5μm；微波区间的工作频率为1.5THz。
4.根据权利要求1所述能实现光速减慢的亚波长金属微结构阵列，其特征是：微波工作区间，衬底层为CGN500-NF-3006该电路板的介电层；THz工作区间，衬底层为介电常数为11.7的硅。
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|---|---|---|---|---|
| WO2013095309A1 (en) * | 2011-08-10 | 2013-06-27 | Buyuksahin Utku | Frame rate increaser apparatus for cameras |
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2009
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