CN102751556B - 倏逝波谐振腔 - Google Patents

Abstract

一种倏逝波谐振腔包括一谐振腔本体、由超材料制成的波导单元和设置于谐振腔本体内的金属针体，所述波导单元设置于所述谐振腔本体内且包裹所述金属针体；所述波导单元包括一第一波导区域，所述第一波导区域包括一第一端和一第二端，所述第一波导区域的介电常数从所述第一端到第二端逐渐变小。通过在谐振腔内填充介电常数逐渐变化超材料，当电磁波在谐振腔传播时，从传导模逐渐变成截止模而产生倏逝场，从而使倏逝波谐振腔制造工艺简单且降低了倏逝波谐振腔的设计、生产成本。

Description

倏逝波谐振腔

技术领域

本发明涉及一种倏逝波谐振腔，尤其涉及一种由超材料制成的倏逝波谐振腔。

背景技术

倏逝波在光学领域已经得到广泛的研究和应用，当一束光线从光密介质向光疏介质传播时，若入射角大于临界角，入射光线将全部反射回光密介质中，这种现象称为全反射。实验表明，在全反射时光波在反射面的外侧并不立即消失，而是透射进入光疏介质靠近界面附近很薄的一层表面，沿界面传播一定距离，最后返回光密介质，那么这种存在于界面附近的光波称为倏逝波。也被称为衰减波凋落波倏逝波是光学家研究的核心对象，其特点是振幅沿某个空间方向迅速地按指数规律下降而其相位无变化（相位常数β=0）。

倏逝波是一种非辐射近场波，包含很多近场精细结构信息，在近场光学显微镜、光纤倏逝波生物传感器、表面等离子体光学元件等方面都具有很广泛的应用。

根据麦克斯韦（Maxwell）著名的电磁场动力学理论，确立了光与电磁波的同一性的重要学说。由上述理论可推导出：当电磁波在波导介质中传播时，微波频率f小于波导的截止频率fc时，电磁波被截止，即产生倏逝场。因此，在构建同轴谐振腔体时必须满足上述条件才有可能产生倏逝波。如图1所示，即现有的产生倏逝波的同轴共振谐振腔10，谐振腔体200由两个同轴的外圆柱型铜轴20和内圆柱型铜轴21构成，内圆柱型铜轴21为实心体；在外圆柱型铜轴20和内圆柱型铜轴21之间形成中空腔体22。在内圆柱型铜轴21的上端金属针尖201安置在共振腔的开端的中心导体上，金属针尖201延至外壳体的表面附近的开口处100，使针尖恰好位于电磁波共振腔的峰值电位处，此峰值微波电场被转至针尖，电磁波在针尖末端被截止而形成倏逝场。

但是，上述圆柱型铜轴倏逝波谐振腔制造工艺要求苛刻且成本相对较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：使倏逝波谐振腔制造工艺简单且降低了倏逝波谐振腔的设计、生产成本。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种倏逝波谐振腔包括一谐振腔本体，所述倏逝波谐振腔还包括由超材料制成的波导单元和设置于谐振腔本体内的金属针体，所述波导单元设置于所述谐振腔本体内且包裹所述金属针体；所述波导单元包括一第一波导区域，所述第一波导区域的介电常数从所述一端到另一端逐渐变小。

进一步地，所述波导单元还包括设置于第一波导区域的第一端的第二波导区域，所述第二波导区域的介电常数均匀不变的。

进一步地，所述第二波导区域的介电常数略大于第一波导区域的第一端的介电常数。

进一步地，所述谐振腔本体为采用金属材料制成的圆柱形金属腔体，所述金属针体设置于圆柱形金属腔体中心轴上。

进一步地，所述第二波导区域由多片超材料片层叠加形成，每一超材料片层都对应唯一的介电常数，每一超材料片层包括片状基板和附着在所述片状基板上的多个人造微结构。

进一步地，所述片状基板选用陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料及铁磁材料中的任意一种。

进一步地，所述每一超材料片层划分为多个阵列排布的立方形基材单元，同一片状基板的每个基材单元完全相同。

进一步地，所述人造微结构是以几何图案附着在所述片状基板上的金属线，金属线可以是剖面为圆柱状或者扁平状的铜线和银线；所述金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻工艺附着在片状基板上。

进一步地，所述人造微结构为平面结构且其附着在片状基板表面上或者所述人造微结构为三维立体结构且附着在片状基板内部。

进一步地，所述人造微结构为工字形的衍生形、雪花状、雪花状的衍生形、正四面体框、五棱柱框及圆环中的任意一种。

相对于现有技术，在谐振腔内填充介电常数逐渐变化超材料，当电磁波在谐振腔传播时，从传导模逐渐变成截止模而产生倏逝场，从而使倏逝波谐振腔制造工艺简单且降低了倏逝波谐振腔的设计、生产成本。

附图说明

图1为现有技术的圆柱型铜轴的倏逝波谐振腔横截面示意图。

图2为本发明一实施方式中由超材料制成的倏逝波谐振腔立体示意图。

图3为图2所示倏逝波谐振腔横截面示意图。

图4为图2所示倏逝波谐振腔中的波导单元介电常数渐变示意图。

图5是图4所示波导单元的介电常数渐变超材料结构示意图。

图6为图4所示波导单元中的另一种‘雪花状’人造微结构。

图7为图4所示波导单元中的人造微结构的一种具体形式‘雪花状’结构的又一种衍生结构。

图8为图4所示波导单元中的一种正四面体的人造微结构。

具体实施方式

下面结合相关附图及具体实施例对本发明做进一步的描述：

图2为本发明一实施方式中倏逝波谐振腔立体示意图。所述倏逝波谐振腔11包括谐振腔本体31、在谐振腔本体31内填充由超材料制成的波导单元33及设置于谐振腔本体31内的一金属针体35。所述金属针体35包裹于所述波导单元33中。在本实施方式中，所述谐振腔本体31采用金属材料制成的圆柱形金属腔体，所述金属针体35设置于圆柱形金属腔体中心轴上，所述波导单元33设置于谐振腔本体31与金属针体35之间。

请一并参阅图3，为倏逝波谐振腔横截面示意图。所述波导单元33的是不均匀的，即其介电常数ε从波导单元33的一端到另一端逐渐变小。当电磁波从倏逝波谐振腔11介电常数ε大的一端射入后并在波导单元33中传播时，由于波导单元33介电常数ε逐渐变小，电磁波在波导单元33和金属针35的作用下，使电磁波频率f小于波导单元33的截止频率fc而被截止，从而在第二端13的金属针体35末端附近空间产生倏逝场。

当该金属腔体内未填充所述超材料制成的波导单元33时，且其尺寸或横截面面积设计足够小的情况下，即不能满足电磁波波长传播条件时，电磁波无法在金属腔体内传播。当金属腔体填充超材料制成的波导单元33后，传输电磁波的介质的介电常数ε增加，无形增大了金属腔体横截面而得以使电磁波在所述倏逝波谐振腔11内传播，这样也实现了谐振腔本体31小型化，节约了制造谐振腔本体31的材料。

请参阅图4，为所述倏逝波谐振腔的波导单元介电常数渐变示意图。在本实施方式中，波导单元33包括第一波导区域301和第二波导区域302，第一波导区域301包括第一端15和第二端13，从第一波导区域301的第一端15到第二端13的介电常数ε是逐渐变化的，即其介电常数ε₁，ε₂，ε₃，…εn逐渐变化，其中ε₁>ε₂>ε₃>…>ε_n，n为自然数。所述第二波导区域302的介电常数ε均匀不变，且略大于第一波导区域301的第一端15的介电常数。

以下将对超材料制成的波导单元设计做详细的说明

第二波导区域302的设计：

如图5所示，为波导单元33的第二波导区域302部分结构示意图。所述第二波导区域302由多片超材料片层叠加形成，所述每一材料片层都对应唯一的介电常数（ε₁，ε₂、、、ε_n,其中ε₁>ε₂>、、、>ε_n）。每一材料片层包括片状基板2和附着在片状基板2上的多个人造微结构3。

所述片状基板2的基材单元上的人造微结构的尺寸大小相同，由此使得所述超材料片层2上各个区域的等效介电常数ε不变，即为介电常数均匀分布的超材料片层。所述每一片片状基板2划分为多个阵列排布的立方形基材单元，每个基材单元完全相同，每个基材单元与其上的人造微结构构成一个超材料单元。

人造微结构3附着在片状基板上包括有两种情况：一种是人造微结构3为平面结构，其附着在片状基板2前表面上；另一种是人造微结构3为三维立体结构，其附着在片状基板2内部。每个人造微结构3通常是由银、铜等金属丝线组成的，也可以由非金属丝线组成。这些丝线连接被刻在片状基板2表面或内部并构成一定的几何图形。将片状基板2划分成很多个相等的立方体基材单元，例如为长、宽、高均为入射电磁波波长的十分之一的立方体，每个基材单元与其上的人造微结构构成一个超材料单元，附图中只是示意性的，实际应用时，每个超材料片层2包括数以万计的超材料单元。

上述片状基板2采用介电绝缘材料制成，可以为陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料、铁磁材料等，例如环氧树脂、聚四氟乙烯等高分子材料。人造微结构为以一定的几何形状附着在片状基板2上的金属线，金属线可以是剖面为圆柱状或者扁平状的铜线、银线等，当然金属线的剖面也可以为其他形状，金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻等工艺附着在片状基板上。

所述第一波导区域301中的人造微结构尺寸从一端（即相当于图3中第一端15）到另一端（即相当于图3中第二端13）逐渐变小，在第一波导区域301的底端的超材料层中雪花状人造微结构的尺寸最大，而在第一波导区域301的顶端的超材料层中雪花状人造微结构的尺寸最小；因此其等效介电常数ε由从一端到另一端逐渐变小。从而采用介电常数ε逐渐变化的如图5所示片状基板叠加形成所述第一波导区域301。

另外，上述实施例中，通过每一片状结构中的人造微结构3按一定比例逐渐缩小来实现介电常数的规律分布，当然，也可以通过逐渐减短人造微结构的某一根或几根丝线从而使基材单元的丝线含量逐渐减少从而达到介电常数逐渐减小的目的。

在其他实施例中，三维的人造微结构3也有很多种实现方式，可以是图6所示的在三维空间中各条边相互垂直的雪花状及图7所示的雪花状的衍生结构，也可以是其他的几何形状，其中不同的人造微结构可以是图案相同，还可以如图8所示的由四根金属丝相接构成的正四面体框，还可以是其他任意三维结构如任意空间曲线、五棱柱框、圆环等等。

第二波导区域302的设计：

由上可知，采用介电常数ε相同至少一片片状基板2叠加形成所述第二波导区域302即可。

本发明的使用介电常数逐渐变化的片状基板叠加来实现，即改变每个超材料片层上的人造微结构即可改变相应部位的介电常数，因此通过统一设计各个人造微结构的具体形状和结构即可得到有序变化的介电常数，从而形成非均匀且介电常数渐变的材料，进而实现电磁波在介电常数逐渐变小超材料传播时使电磁波频率f小于截止频率fc而被截止，即产生倏逝场。从而降低制造倏逝场谐振腔制造工艺的难度，进一步降低制造成本。

因此，上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种倏逝波谐振腔，包括一谐振腔本体，其特征在于，所述倏逝波谐振腔还包括由超材料制成的波导单元和设置于谐振腔本体内的金属针体，所述波导单元设置于所述谐振腔本体内且包裹所述金属针体；所述波导单元包括一第一波导区域，所述第一波导区域包括一第一端和一第二端，所述第一波导区域的介电常数从所述第一端到第二端逐渐变小。

2.根据权利要求1所述的倏逝波谐振腔，其特征在于，所述波导单元还包括设置于第一波导区域的第一端的第二波导区域，所述第二波导区域的介电常数均匀不变。

3.根据权利要求2所述的倏逝波谐振腔，其特征在于，所述第二波导区域的介电常数略大于第一波导区域的第一端的介电常数。

4.根据权利要求1所述的倏逝波谐振腔，其特征在于，所述谐振腔本体为采用金属材料制成的圆柱形金属腔体，所述金属针体设置于圆柱形金属腔体中心轴上。

5.根据权利要求3所述的倏逝波谐振腔，其特征在于，所述第二波导区域由多片超材料片层叠加形成，每一超材料片层都对应唯一的介电常数，每一超材料片层包括片状基板和附着在所述片状基板上的多个人造微结构。

6.根据权利要求5所述的倏逝波谐振腔，其特征在于，所述片状基板选用陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料及铁磁材料中的任意一种材料制成。

7.根据权利要求5所述的倏逝波谐振腔，其特征在于，所述每一片状基板划分为多个阵列排布的立方形基材单元，同一片状基板的每个基材单元完全相同，每个基材单元与其上的人造微结构构成一个超材料单元。

8.根据权利要求5所述的倏逝波谐振腔，其特征在于，所述人造微结构是以几何图案附着在所述片状基板上的金属线，金属线可以是剖面为圆柱状或者扁平状的铜线和银线；所述金属线通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或离子刻工艺附着在片状基板上。

9.根据权利要求5所述的倏逝波谐振腔，其特征在于，所述人造微结构为平面结构且其附着在片状基板表面上或者所述人造微结构为三维立体结构且附着在片状基板内部。

10.根据权利要求5所述的倏逝波谐振腔，其特征在于，所述人造微结构为工字形的衍生形、雪花状、雪花状的衍生形、正四面体框、五棱柱框及圆环中的任意一种。

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