CN104167346B - 一种双频带表面等离子体谐振腔 - Google Patents

一种双频带表面等离子体谐振腔 Download PDF

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Abstract

本发明涉及超材料谐振腔领域，提供一种在微波等低频段内实现局域表面等离子体共振的人工腔体结构，其特征在于通过在腔内壁开恒定周期的沟槽，沟槽内填充有介质材料，材料的介电常数是均匀的，来增强电磁波在腔内壁上的渗透。谐振腔的沟槽有两种深度模式，在圆周方向上交错均匀分布，使得单个结构可以实现多个频段内的谐振，实现局域表面等离子体共振。

Description

一种双频带表面等离子体谐振腔
技术领域
本发明涉及一种谐振腔结构，尤其涉及一种基于人工局域表面等离子体共振的谐振腔。
背景技术
局域表面等离子体激元(LocalizedSurfacePlasmon，简称LSP)是指束缚在金属表面的一种局域型电磁波模式，它由光和金属表面自由电子的相互作用引起的，它局限于金属与介质界面附近，能形成增强近场。由于金属的等离子频率一般都在紫外波段，在微波段，电磁波难以渗透，金属近似表现为理想导体(PerfectElectricConductor，PEC)。在这些情况下，金属表面是不能激发出LSP波的。近年来，为了将局域表面等离子体的概念引入到低频(远红外，太赫兹和微波毫米波频率)，Pendry教授等人共同提出了人工局域表面等离子体激元(SpoofLocalizedSurfacePlasmon，简称SLSP)的概念。通过在金属结构上开一定周期的沟槽，沟槽的尺寸和间隔都小于波长，以增强电磁波的渗透作用，从而降低金属表层的等离子频率。这样在微波频段内，也可以观察到类似光学LSP性质的现象。2013年，东南大学的崔铁军教授领导的研究小组，提出并实验证明了在微波频段的多次谐振的人工局域表面等离子激元结构，制作了超薄平面沟槽金属结构，首次在微波段证实了SLSP现象，引起了研究者的极大兴趣。但是对于传统的微腔结构，还没有在微波段能支持等离子多频谐振的结构出现。
发明内容
技术问题：本发明要解决的技术问题是：为克服现有技术中传统微波谐振腔无法激励表面等离子多频谐振的问题，本发明在深入研究SLSP的工作机理的基础上，借鉴外开沟槽柱面激发SLSP的思想，选取周期性沟槽的人工亚波长结构环绕成圆周，提供一种可以实现微波段等低频段内多频谐振的人工局域表面等离子谐振腔，该谐振腔具有良好的能量局域性。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种人工局域表面等离子体的谐振腔结构，其特征在于：谐振腔的基础结构是两端封闭的金属圆筒，金属圆筒的内壁设有沿圆周均匀分布的两种轴向沟槽，两种轴向沟槽的深度不同且均小于金属圆筒的厚度，两种轴向沟槽按恒定周期交错分布，沟槽内填充有介质材料。
本发明具有如下有益效果：
1.本发明主要提出一种实现SLSP的谐振腔，结构简单，易于制造，腔内的沟槽填充有均匀介电常数的介质，增强了电磁波在腔内壁上的渗透。
2.本发明腔内设计为不同深度的沟槽(深槽和浅槽)，使得谐振腔可以同时完成带有单独深槽或者浅槽的微波谐振腔结构的功能，单个结构即可实现多个频段内的谐振，实现局域表面等离子体共振。而微波谐振腔(深槽和浅槽)有两个主模谐振频率，分别为3.55GHz和7.68GHz，本发明结构可以同时发生两个模式上的谐振。双周期的设置，使得谐振腔能在不同的频段内工作，产品应用范围广，节约了成本。
3、本发明可以通过调节谐振腔的轴向沟槽深度或改变沟槽内的介质材料来调节谐振频率，比如沟槽深度的提高或者使用更高介电常数的材料可以有效降低谐振腔的谐振频率，这样使得谐振腔可以适应不同的波段，为等离子超材料器件的低频化应用提供了良好的发展前景。
附图说明：
图1(a)是实施例一的俯视图；
图1(b)是分别开有恒定深度周期结构的俯视图
图2(a)是实施例二结构谐振腔中双槽和单浅槽结构的色散特性曲线比较图；
图2(b)是实施例二结构谐振腔中双槽和单深槽结构的色散特性曲线比较图。
具体实施方案：
下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述：
实施例一
如图1(a)所示，谐振腔的基础结构是两端封闭(两端采用与金属圆筒横截面面积匹配的圆形金属板封闭)的具有一定厚度的金属圆筒，金属圆筒横截面内径为r，其内壁设有沿圆周均匀分布的两种轴向沟槽，每个沟槽对应的圆心角相等，横截面为扇形。两种轴向沟槽具有不同的深度R1-r(深槽)和R2-r(浅槽)，R1>R2，R1、R2分别表示两种沟槽最大弧度处的半径，一般而言，表面等离子体结构的渐进频率有一个近似公式，fa＝c/(4hng)，其中c为光速，h＝R1(2)-r为槽的深度，ng表示沟槽内材料的折射率，从这里可以清楚的看到结构的参数影响谐振腔的工作频率。两种沟槽按恒定周期交错分布，深槽和浅槽的数量相等。假设深槽和浅槽数量均为N，则恒定周期在金属圆筒横截面内圆周上对应的弧度为d＝2πr/N。图中a1、a2分别表示深槽和浅槽扇形横截面的最大弧度。根据Pendry论文的理论，沟槽所占弧度与每个周期的弧度之比也将对谐振腔的谐振频率产生影响。另外，金属圆筒的高度和厚度不作要求，只要满足外壁为良导体边界，都可以激发出LSP的谐振现象。人工表面等离子体共振由恒定深度的周期沟槽来激发。图1(b)是分别开有单周期沟槽(浅槽和深槽)的谐振腔结构。图中区域I为空气腔，区域II为填充有介质材料的沟槽部分，区域III为金属材料部分。
实施例二
以如图1(a)所示谐振腔为例，半径r＝1.33毫米，沟槽最大弧度处半径分别为R1＝5毫米，R2＝3.33毫米，不同的槽深决定了结构不同的谐振频率。填充介质材料的介电常数等于25，填充介质材料可以降低谐振腔的谐振频率。根据等效媒质理论，周期数设置越多效果越好，但是沟槽数增加会带来加工的不便，这里我们折中取沿圆周方向周期分布N＝120个槽，其中深槽和浅槽各有60个，且交错均匀分布。
根据实施例二，利用电磁仿真软件可得到如图2所示的色散曲线，为了便于仿真，此时金属圆筒的厚度设置为0，由于色散曲线位于光线右侧，说明该结构发生了表面等离子体共振现象，如果不开沟槽，在微波频段内腔体一般是不可以激发出局域表面等离子体共振的。除非是频率提高到了光波段，金属不再是良导体，可以使用Drude模型来分析。但是由于加入了双周期沟槽，不仅实现了表面等离子体共振，而且实现了双频带的谐振。图2(a)为本发明谐振腔的第一个谐振模式的色散曲线，以及开有单独槽深(深槽)的腔体的色散曲线，我们发现两者的色散曲线是基本接近的，同样的发现可以从图2(b)中看到，浅槽和双周期槽结构的色散曲线也是类似的。这说明本发明谐振腔结构在多频带内实现了人工局域表面等离子体共振。

Claims (3)

1.一种人工局域表面等离子体的谐振腔结构，其特征在于：谐振腔的基础结构是两端封闭的金属圆筒，金属圆筒的内壁设有沿圆周均匀分布的两种轴向沟槽，两种轴向沟槽的深度不同且均小于金属圆筒的厚度，两种轴向沟槽按恒定周期交错分布，沟槽内填充有介电常数均匀的介质材料。
2.根据权利要求1所述的谐振腔结构，其特征在于沟槽的横截面为扇形。
3.根据权利要求1所述的谐振腔结构，其特征在于每个沟槽对应的圆心角相等。
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