CN103576228A - 非周期表面等离子体光栅型太赫兹滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了非周期表面等离子体光栅型太赫兹滤波器，包括具有中心圆通孔的二维金属光栅平板，金属光栅平板的上下两个表面对称设置有非周期圆环形凹槽，每个圆环形凹槽的宽度各不相同。本发明所提出的非周期牛眼结构的表面等离子体光栅型太赫兹滤波器，利用其非周期结构解决了一般周期型滤波器通频带和旁瓣之间的矛盾，提高了旁瓣抑制比；与传统的滤波器相比，具有中心频率透射率高、低损耗、选择性高、易于调节、制作加工方便、成本低廉等优点。

Description

非周期表面等离子体光栅型太赫兹滤波器
技术领域
本发明主要涉及一种太赫兹滤波器，具体涉及一种非周期表面等离子体光栅型太赫兹滤波器。 
背景技术
目前，很多国家都积极地开展太赫兹方面的研究，在国内也掀起了太赫兹研究的热潮。太赫兹波介于微波和光波之间，是电子学向光学的过渡区域，有着重要的学术和应用研究价值。早在上世纪70年代，太赫兹波就引起了科学家的关注，但是由于这一波段的产生方法和探测手段相比于微波和光波还十分落后，对太赫兹波段各方面特性的研究和了解还非常有限，而且基本上还停留在理论层次上，形成了所谓的“太赫兹空隙”（Terahertz Gap）。近些年来，太赫兹波的实际产生技术取得了很大的进展。随着量子级联激光器、自由电子激光器、光学差频方法以及通过光整流等产生较大功率的连续太赫兹波方法的出现，以及超外差式和直接探测器等太赫兹探测技术的发展，使得太赫兹技术的应用成为可能。 
太赫兹系统主要由辐射源、探测器和各种功能器件组成，但是由于系统噪声和应用需要等原因，需要滤除某些频率范围以提高系统的性能，因而太赫兹滤波器有很重要的应用价值。例如，太赫兹通讯系统中，为了避免同频干扰，通常采用频分复用技术——用户之间采用不同的频率，这样就必须使用窄带太赫兹带通滤波器将各频率分量分离。又如，在太赫兹生物探测系统中，采用太赫兹特征谱的方法鉴别生物大分子或者细胞结构，这样就必须使用太赫兹窄带滤波器将其太赫兹特征谱所在的频段滤出加以分析鉴别。可见，太赫兹滤波器则是太赫兹系统必不可少的核心基础部件之一。 
目前，太赫兹滤波器主要有三大类：基于光子晶体的太赫兹滤波器、基于光栅和表面等离子体等周期结构的太赫兹滤波器和基于量子阱结构的太赫兹滤波器。但是绝大多数的滤波器都处于实验室研究阶 段，距离实用还有一段距离。如光子晶体型滤波器不可调节，损耗比较大；普通的周期性结构的光栅/表面等离子体太赫兹滤波器旁瓣抑制比比较低，而且光栅型太赫兹滤波器不可调节。因此，研制出低损耗、高选择性的太赫兹滤波器至关重要。 
发明内容
本发明的目的是提供一种非周期表面等离子体光栅型太赫兹滤波器，其能够克服上述现有太赫兹滤波器的某种或某些缺点。 
根据本发明的非周期表面等离子体光栅型太赫兹滤波器，包括具有中心圆通孔的二维金属光栅平板，金属光栅平板的上下两个表面对称设置有非周期圆环形凹槽，其中一个表面的圆环形凹槽的个数为n（n为整数）、每个圆环形凹槽的宽度各不相同，对应为dn，dn=30μm-3000μm。 
在本发明的一个具体实施例中，n个圆环形凹槽的宽度分布为d1:d2:d3…:dn=1:（1+1/n）:（1+2/n）…:（1+（n-1）/n）。该类型的滤波器特性是滤波谱上中心频率两侧的低频部分（即上升沿）和缓，高频部分（即下降沿）陡峭。 
在本发明的又一个具体实施例中，n个圆环形凹槽的宽度分布为d1:d2:d3…:dn=（1+（n-1）/n）:（1+（n-2）/n）:（1+（n-3）/n）…:1。该类型的滤波器特性是滤波谱上中心频率两侧的低频部分（即上升沿）陡峭，高频部分（即下降沿）和缓
在本发明的再一个具体实施例中，n个圆环形凹槽的宽度d1:d2:d3…:dn成中心对称高斯分布。该类型的滤波器特性是滤波谱的过渡带窄。 
在本发明的又一个具体实施例中，n个圆环形凹槽的宽度d1:d2:d3…:dn成中心对称双曲正割分布。该类型的滤波器特性是综合性能最佳。 
在本发明的一个优选实施例中，每个圆环形凹槽的深度都为h1，金属光栅平板的总厚度为h2，h2<1000μm，h1/h2=0.05-0.3；优选情况下，h2<500μm，h1/h2=0.1-0.2。 
在本发明的一个优选实施例中，每个圆环形凹槽的宽度都与其外侧的壁宽相等。 
在本发明的一个优选实施例中，金属光栅平板的材质为铝。 
本发明所提出的非周期牛眼结构的表面等离子体光栅型太赫兹滤波器，利用其非周期结构解决了一般周期型滤波器通频段和旁瓣之间的矛盾，提高了旁瓣抑制比。与传统的滤波器相比，具有中心频率透射率高、低损耗、选择性高、易于调节、制作加工方便、成本低廉等优点。 
附图说明
图1是根据本发明的太赫兹滤波器的金属光栅平板的俯视图； 
图2是根据本发明的太赫兹滤波器的金属光栅平板的剖面图； 
图3是根据本发明的太赫兹滤波器的工作原理示意图；以及 
图4是薄金属膜上下表面的表面等离子（SP）波耦合示意图。 
具体实施方式
下面结合附图详细描述本发明的非周期表面等离子体光栅型太赫兹滤波器。本领域技术人员应当理解，下面描述的实施例仅是对本发明的示例性说明，而非用于对其作出任何限制。 
如图1和图2所示，根据本发明的非周期表面等离子体光栅型太赫兹滤波器包括具有中心圆通孔的二维金属光栅平板，金属光栅平板的上下两个表面对称设置有非周期圆环形凹槽。金属光栅平板的俯视图近似于牛眼结构，其中金属光栅平板上表面或下表面的圆环形凹槽的个数为n（n为整数）、每个圆环形凹槽的宽度各不相同，对应为dn，dn=30μm-3000μm。中心圆通孔的直径为 
d0=0.3-0.7min{d1,...,dn}。 
根据太赫兹滤波器的工作频段和滤波特性的要求，上下表面的圆环形凹槽的非周期分布可以有很多种类型，包括： 
（1）n个圆环形凹槽的宽度分布为d1:d2:d3…:dn=1:（1+1/n）:（1+2/n）…:（1+（n-1）/n），该类型的滤波器特性是滤波谱上中 心频率两侧的低频部分（即上升沿）和缓，高频部分（即下降沿）陡峭。 
（2）n个圆环形凹槽的宽度分布为d1:d2:d3…:dn=（1+（n-1）/n）:（1+（n-2）/n）:（1+（n-3）/n）…:1，该类型的滤波器特性是滤波谱上中心频率两侧的低频部分（即上升沿）陡峭，高频部分（即下降沿）和缓。 
（3）n个圆环形凹槽的宽度d1:d2:d3…:dn成中心对称高斯分布，该类型的滤波器特性是滤波谱的过渡带窄。 
（4）n个圆环形凹槽的宽度d1:d2:d3…:dn成中心对称双曲正割分布，该类型的滤波器特性是综合性能最佳。 
以上类型只是举例，在具体的实施过程中，还可以有其它类型的非周期分布。 
如图2所示，本发明的非周期表面等离子体光栅型太赫兹滤波器，其中每个圆环形凹槽的深度都为h1，金属光栅平板的总厚度为h2，h2<1000μm，h1/h2=0.05-0.3；优选情况下，h2<500μm，h1/h2=0.1-0.2，且每个圆环形凹槽的宽度都与其外侧的壁宽相等（即占空比为0.5）。 
金属光栅平板的材质可以选用任意合适的金属和电介质材料，优选价格便宜且易于加工的铝材。 
本发明的滤波器工作于太赫兹波段，通过控制金属光栅结构表面凹槽的深度、宽度（占空比）和金属平板的厚度来改变金属表面的色散特性，利用表面等离子（SP）波传输以减少传输损耗，并根据中心频率和滤波特性来确定滤波器的结构参数。 
本发明的滤波器由于表面的圆环形凹槽结构在平面方向内没有方向性，因此也称为二维金属光栅滤波器。 
图3示出了根据本发明的非周期表面等离子体光栅型太赫兹滤波器的工作原理图，当太赫兹波垂直入射到金属平板结构的中心圆通孔时，上下表面等离子激元（SPPs）对称耦合，能量密度增强，在二维金属光栅的凹槽陷波结构中实现滤波，并最终在金属平板上贯通的中心圆通孔处出射。图4为薄金属膜上下表面的表面等离子激元（SPPs）耦合示意图，当金属膜厚度较小时，上下表面的SPPs产生 了耦合（图4右侧），如果金属膜上下表面的结构对称SPPs将叠加增强（同相模式），而如果金属膜上下表面的结构非对称SPPs将相互抵消而减弱（反相模式）。 
本发明的滤波器的金属光栅平板可以采用不同的加工工艺来实现，①机械加工：采用类似于早期的光栅加工方式，在防震台上用步进电机控制位移并采用机械方法刻出所需要的结构。②电化学腐蚀法加工：采用类似于集成电路腐蚀加工方式，先制作腐蚀掩膜版，在铝膜上涂光刻胶，紫外光通过掩膜版照射使得不需要腐蚀的地方的光刻胶凝固，然后清洗掉多余的光刻胶，用氯化钠或氢氟酸通过电化学腐蚀法加工所需要的结构。③镀膜法加工：直接采用镀膜机在聚丙烯基底上点镀加工形成所需要的结构。 
本发明所提出的非周期牛眼结构的表面等离子体光栅型太赫兹滤波器，利用其非周期结构解决了一般周期型滤波器通频段和旁瓣之间的矛盾，提高了旁瓣抑制比。与传统的滤波器相比，具有中心频率透射率高、低损耗、选择性高、易于调节、制作加工方便、成本低廉等优点。根据本发明的滤波器应用于太赫兹波段，扩大了太赫兹波领域的应用，为太赫兹滤波器的实用化提供了重要的技术支撑。 

Claims (9)

1.一种非周期表面等离子体光栅型太赫兹滤波器，包括具有中心圆通孔的二维金属光栅平板，金属光栅平板的上下两个表面对称设置有非周期圆环形凹槽，其中一个表面的圆环形凹槽的个数为n（n为整数）、每个圆环形凹槽的宽度各不相同，对应为dn，dn=30μm-3000μm。
2.根据权利要求1所述的太赫兹滤波器，其中n个圆环形凹槽的宽度分布为d1:d2:d3…:dn=1:（1+1/n）:（1+2/n）…:（1+（n-1）/n）。
3.根据权利要求1所述的太赫兹滤波器，其中n个圆环形凹槽的宽度分布为d1:d2:d3…:dn=（1+（n-1）/n）:（1+（n-2）/n）:（1+（n-3）/n）…:1。
4.根据权利要求1所述的太赫兹滤波器，其中n个圆环形凹槽的宽度d1:d2:d3…:dn成中心对称高斯分布。
5.根据权利要求1所述的太赫兹滤波器，其中n个圆环形凹槽的宽度d1:d2:d3…:dn成中心对称双曲正割分布。
6.根据权利要求1所述的太赫兹滤波器，其中每个圆环形凹槽的深度都为h1，金属光栅平板的总厚度为h2，h2<1000μm，h1/h2=0.05-0.3。
7.根据权利要求6所述的太赫兹滤波器，其中h2<500μm，h1/h2=0.1-0.2。
8.根据权利要求1所述的太赫兹滤波器，其中每个圆环形凹槽的宽度都与其外侧的壁宽相等。
9.根据权利要求1所述的太赫兹滤波器，其中金属光栅平板的材质为铝。
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