CN104701595A - 一种超材料谐振装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种超材料谐振装置，包括：平板波导和位于所述平板波导表面的多个沿第一方向延伸的类光栅结构，所述类光栅结构由位于所述平板波导表面的超材料谐振单元构成；其中，所述谐振单元至少包括一个金属谐振结构，且所述金属谐振结构的厚度大于集肤深度。由此可见，本发明实施例所提供的超材料谐振装置包括平板波导和位于所述平板波导表面的类光栅结构，所述类光栅结构由位于所述平板波导表面的超材料谐振单元构成，而所述超材料谐振单元为二维元件，本身具有谐振特性，与平板波导结合后，可获得较高的谐振品质因子。

Description

一种超材料谐振装置

技术领域

本发明涉及超材料技术领域，尤其涉及一种超材料谐振装置。

背景技术

超材料是一种人工设计制作的亚波长周期性金属谐振结构材料。由于人工设计制作的超材料能够非常容易操控电磁波的响应，并获得自然介质不能获得的电磁波特性(如负折射、超透镜、隐身衣等)而受到人们的广泛重视。尤其是广泛报道研究的平面超材料在各种电磁波段(包括光波、太赫兹波及微波)器件、传感及光谱成像等领域具有非常重要的应用。

但对于平面超材料谐振器来说，由于其谐振是属于表面局域谐振模式(surface localized resonant mode)，因此，要限制谐振能量的泄漏，提高谐振Q(quality factor，品质因子，谐振峰中心频率除以谐振峰宽度，谐振宽度以FWHM(Full Width at Half Maxium)计算)值是一件十分困难的事情，从而使得如何提高谐振品质因子，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种超材料谐振装置，以提高超材料谐振装置的谐振品质因子。

为解决上述问题，本发明实施例提供了如下技术方案：

一种超材料谐振装置，包括：

平板波导，所述平板波导包括第一介质层、第二介质层以及位于所述第一介质层和第二介质层之间的第三介质层，其中，所述第一介质层和第二介质层的折射率均小于所述第三介质层的折射率；

位于所述平板波导表面的多个沿第一方向延伸的类光栅结构，所述类光栅结构由位于所述平板波导表面的超材料谐振单元构成；

其中，所述谐振单元至少包括一个金属谐振结构，且所述金属谐振结构的厚度大于集肤深度。

优选的，所述超材料谐振装置谐振波长满足：

光栅一级衍射条件：p(sinθ₁±sini)＝λ/n₁；

平板波导相位匹配条件： $2\·\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{nd}\cos \mathrm{\θ}-2{\mathrm{\φ}}_s-2{\mathrm{\φ}}_c=2\mathrm{N\π};$

其中，p为所述谐振单元的周期长度，即所述谐振单元沿第二方向的长度，所述第二方向垂直于所述第一方向；i和θ₁分别为入射电磁波的入射角和被类光栅衍射后的衍射角；λ为入射电磁波在真空中的波长，n₁,n,n₂分别为平板波导中第一介质层、第三介质层和第二介质层的折射率；d为第三介质层的厚度；θ为平板波导的导模角；φ_s为第三介质层与第一介质层界面上全反射相移；φ_c为第三介质层和第二介质层界面上全反射相移；N为导模阶数，为不小于零的整数。

优选的，所述谐振单元包括多个金属谐振结构，所述多个金属谐振结构至少包括第一金属谐振结构和第二金属谐振结构，且同一谐振单元中相邻金属谐振结构之间的距离h为p/m；其中，m为所述谐振单元沿第二方向包括的金属谐振结构的数量，所述相邻金属谐振结构之间的距离为相邻金属谐振结构中心之间沿第二方向投影的距离。

优选的，所述谐振单元包括多个金属谐振结构，所述多个金属谐振结构至少包括第一金属谐振结构和第二金属谐振结构，且同一谐振单元中相邻金属谐振结构的之间的距离h为p/m±△h；其中，m为所述谐振单元沿第二方向包括的金属谐振结构的数量，所述相邻金属谐振结构之间的距离为相邻金属谐振结构中心之间沿第二方向投影的距离。

优选的，△h的取值范围为【-0.20h-0.20h】。

优选的，所述谐振单元包括多个金属谐振结构，所述多个金属谐振结构至少包括第一金属谐振结构和第二金属谐振结构，且所述第一金属谐振结构至少具有一个第一开口，所述第二金属谐振结构至少具有一个第二开口。

优选的，所述第一金属谐振结构上第一开口所在的边与第二方向之间的第一夹角的取值范围为(0°，90°)；所述第二金属谐振结构上第二开口所在的边与第二方向之间的夹角的取值范围为(0°，90°)。

优选的，所述第一夹角的取值范围为(0°，20°)；所述第二夹角的取值范围为(0°，20°)。

优选的，所述第一金属谐振结构和第二金属谐振结构的形状相同或不同。

优选的，所述第一金属谐振结构和第二金属谐振结构的尺寸相同或不同。

优选的，所述第一介质层为空气层或半导体材料层或介质材料层或聚合物材料层；所述第二介质层为空气层或半导体材料层或介质材料层或聚合物材料层；所述第三介质层为半导体材料层、介质材料层或聚合物材料层。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

本发明实施例所提供的超材料谐振装置，包括：平板波导和位于所述平板波导表面的多个沿第一方向延伸的类光栅结构，所述类光栅结构由位于所述平板波导表面的超材料谐振单元构成；其中，所述谐振单元至少包括一个金属谐振结构，且所述金属谐振结构的厚度大于集肤深度。由此可见，本发明实施例所提供的超材料谐振装置包括平板波导和位于所述平板波导表面的类光栅结构，所述类光栅结构由位于所述平板波导表面的超材料谐振单元构成，而所述超材料谐振单元为二维元件，本身具有谐振特性，与平板波导结合后，可获得较高的谐振品质因子。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个实施例所提供的超材料谐振装置的结构示意图；

图2为本发明一个具体实施例所提供超材料谐振装置中，谐振单元的俯视图；

图3为图2中所示超材料谐振装置中，所述第三介质层的厚度为50微米时，所述超材料谐振装置用有限元法计算得到的在0.2THz-1.0THz范围内的透射率谱曲线示意图；

图4为本发明另一个具体实施例所提供超材料谐振装置中，谐振单元的俯视图；

图5为图4中所示超材料谐振装置用有限元法计算得到的在0.2THz-1.0THz范围内的透射率谱曲线示意图；

图6为本发明又一个具体实施例所提供超材料谐振装置中，谐振单元的俯视图；

图7图6中所示超材料谐振装置用有限元法计算得到的在0.2THz-1.0THz范围内的透射率谱曲线示意图；

图8为本发明再一个具体实施例所提供超材料谐振装置中，谐振单元的俯视图；

图9为假设平板波导材料无损时，图8中所示超材料谐振装置中，所述谐振单元沿第二方向的周期长度Px为320微米，沿第一方向的周期长度Py为160微米，第一金属谐振结构与第二金属谐振结构之间的距离h为158微米(微失衡态)和160微米(平衡态)时，用有限元法计算得到的透射率谱曲线示意图，其中，曲线1为所述谐振单元中第一金属谐振结构和第二金属谐振结构之间的距离为158微米时，用有限元法计算得到的透射率谱曲线示意图，曲线2为所述谐振单元中第一金属谐振结构和第二金属谐振结构之间的距离为160微米时，用有限元法计算得到的透射率谱曲线示意图；

图10为图9中所示谐振装置在△h为2微米时其中一个最低阶谐振峰频率与谐振品质因子Q值、平板波导厚度之间的关系曲线图；

图11为图9中所示谐振装置在△h为2微米时，金属谐振结构边长为68微米时的Fano谐振曲线；

图12为图9中所示谐振装置在△h为2微米时，金属谐振结构边长为70.6微米时的EIT曲线；

图13为不同周期下计算得到的透射谐振峰曲线示意图；

图14为假设平板波导材料无损时，第一夹角和第二夹角均为0°和均为4°时的透射率谱曲线示意图，其中，曲线3为第一夹角和第二夹角均为0°时的透射率谱曲线，曲线4为第一夹角和第二夹角均为4°时的透射率谱曲线。

具体实施方式

正如背景技术部分所述，如何提高谐振品质因子，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

有鉴于此，本发明实施例提供了一种超材料谐振装置，包括：

平板波导，所述平板波导包括第一介质层、第二介质层以及位于所述第一介质层和第二介质层之间的第三介质层，其中，所述第一介质层和第二介质层的折射率均小于所述第三介质层的折射率；

位于所述平板波导表面的多个沿第一方向延伸的类光栅结构，所述类光栅结构由位于所述平板波导表面的超材料谐振单元构成；

其中，所述谐振单元至少包括一个金属谐振结构，且所述金属谐振结构的厚度大于集肤深度。

本发明实施例所提供的超材料谐振装置包括平板波导和位于所述平板波导表面的类光栅结构，所述类光栅结构由位于所述平板波导表面的超材料谐振单元构成，而所述超材料谐振单元为二维元件，本身具有谐振特性，与平板波导结合后，可获得较高的谐振品质因子。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

如图1所示，本发明实施例提供了一种超材料谐振装置，包括：平板波导1，所述平板波导1包括第一介质层(图中未示出)、第二介质层(图中未示出)以及位于所述第一介质层和第二介质层之间的第三介质层(图中未示出)，其中，所述第一介质层和第二介质层的折射率均小于所述第三介质层的折射率；位于所述平板波导1表面的多个沿第一方向延伸的类光栅结构2，所述类光栅结构2由位于所述平板波导1表面的超材料谐振单元构成，其中，所述谐振单元至少包括一个金属谐振结构，且所述金属谐振结构的厚度大于集肤深度。

需要说明的是，所述集肤深度为导体中电流密度减小到导体截面表层电流密度的1/e(e为自然底数e＝2.71828183)处的深度，在本发明实施例中，所述集肤深度与所述超材料谐振装置的入射电磁波频率有关，本发明对此并不做限定，具体视情况而定。

在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述平板波导表面具有多个金属环，所述金属环为所述金属谐振结构，在本发明的另一个实施例中，所述平板波导表面具有金属层，所述金属层中具有多个环形凹槽，所述环形凹槽将所述金属层分成多个金属谐振结构，本发明对此并不做限定，具体视情况而定。

需要说明的是，在本发明实施例中，所述第一介质层为空气层或半导体材料层或介质材料层或聚合物材料层；所述第二介质层为空气层或半导体材料层或介质材料层或聚合物材料层；所述第三介质层为半导体材料层、介质材料层或聚合物材料层。本发明对此也不做限定，具体视情况而定。

下面以所述第一介质层和所述第二介质层为空气层，所述金属谐振结构为金属环为例，对本发明实施例所提供的超材料谐振装置进行说明。

具体的，在本发明实施例中，所述超材料谐振装置的谐振波长满足：

光栅一级衍射条件：p(sinθ₁±sini)＝λ/n₁    (1)

平板波导相位匹配条件： $2\·\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{nd}\cos \mathrm{\θ}-2{\mathrm{\φ}}_s-2{\mathrm{\φ}}_c=2\mathrm{N\π}---\left(2\right)$

其中，p为所述谐振单元的周期长度，即所述谐振单元沿第二方向的长度，所述第二方向垂直于所述第一方向；i和θ₁分别为入射电磁波的入射角和被类光栅衍射后的衍射角；λ为入射电磁波在真空中的波长，n₁,n,n₂分别为平板波导中第一介质层、第三介质层和第二介质层的折射率；d为第三介质层的厚度；θ为平板波导的导模角；φ_s为第三介质层与第一介质层界面上全反射相移；φ_c为第三介质层和第二介质层界面上全反射相移；N为导模阶数，为不小于零的整数。

需要说明的是，在本发明一个实施例中，所述第一方向为X方向，所述第二方向为Y方向，在本发明的另一个实施例中，所述第一方向为Y方向，所述第二方向为X方向，本发明对此并不做限定，具体视情况而定。下面以所述第一方向为Y方向，所述第二方向为X方向为例，对本发明实施例所提供的超材料谐振装置进行说明。

如图2所示，在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述谐振单元只包括一个金属谐振结构。

在上述实施例的基础上，在本发明的一个具体实施例中，所述金属谐振结构为正方形闭合金属环，没有开口，所述金属环的材料为金，厚度为200纳米，边长a为200微米，线宽w为10微米，所述第三介质层的材料为石英，介电常数为3.75，所述谐振单元沿第二方向的周期长度Px为320微米，沿第一方向的周期长度Py为320微米，入射波为太赫兹波，且为正入射(即i为0°)，偏振方向为X方向。

如图3所示，图3中示出了所述第三介质层的厚度为50微米时，所述超材料谐振装置用有限元法计算得到的在0.2THz-1.0THz范围内的透射率谱曲线示意图。从图3中可以看出，0.32THz、0.72THz、0.78THz三个谐振峰为所述金属谐振结构的谐振峰，Q值较低，且谐振频率随着所述金属谐振结构边长的变化而变化。而0.88THz处的谐振峰为所述超材料谐振装置的谐振峰，其频率由公式(1)和(2)决定，对所述第三介质层的折射率、厚度和周期比较敏感。

如表1所示，表1中示出了不同第三介质层厚度时，所述超材料谐振装置的谐振峰频率、谐振峰强度和谐振品质因子。

表1：

由表1可以看出，当所述第三介质层的厚度为10微米时，所述超材料谐振装置的品质因子Q值高达2915，具有较高的谐振品质因子。

在本发明的另一个具体实施例中，如图4所示，所述金属谐振结构为正方形开口谐振环，所述开口的长度b为10微米，所述金属谐振结构的材料为金，厚度为200纳米，边长a为200微米，线宽w为10微米，所述第三介质层的材料为聚合物，厚度为5微米，介电常数为3.75，所述谐振单元沿第二方向的周期长度Px为320微米，沿第一方向的周期长度Py为320微米，入射波为太赫兹波，且为正入射(即i为0°)，偏振方向为X方向。

如图5所示，图5中示出了所述超材料谐振装置用有限元法计算得到的在0.2THz-1.0THz范围内的透射率谱曲线示意图。从图5中可以看出，0.18THz、0.52THz、0.72THz三个谐振峰为所述金属谐振结构的谐振峰，Q值较低，且谐振频率随着所述金属谐振结构边长的变化而变化。而0.93THz处的谐振峰为所述超材料谐振装置的谐振峰，其品质因子Q值高达1500。由此可见，本发明实施例所提供的超材料谐振装置具有较高的谐振品质因子。

如图6所示，在本发明的另一个实施例中，所述谐振单元包括多个金属谐振结构，所述多个金属谐振结构至少包括第一金属谐振结构21和第二金属谐振结构22，且所述谐振单元中相邻金属谐振结构之间的距离h为p/m；其中，m为所述谐振单元沿第二方向包括的金属谐振结构的数量，所述相邻金属谐振结构之间的距离为相邻金属谐振结构中心之间沿第二方向投影的距离。

在本发明的其他实施例中，所述谐振单元还可以包括更多个金属谐振结构，如第三金属谐振结构、第四金属谐振结构等。在本实施例中，所述多个金属谐振结构可以沿第一方向排布，也可以沿第二方向排布，当所述谐振单元至少包括三个金属谐振结构时，所述多个金属谐振结构还可以同时沿第一方向和第二方向排布，本发明对此并不做限定，具体视情况而定。

在上述实施例的基础上，在本发明的一个具体实施例中，如图6所示，所述谐振单元包括第一金属谐振结构21和第二金属谐振结构22两个金属谐振结构，所述第一金属谐振结构21和第二金属谐振结构22均为正方形闭合金属环，没有开口，所述金属环的材料为金，厚度为200纳米，线宽w为5微米，所述第一金属谐振结构21的边长为60微米，所述第二金属谐振结构22的边长为50微米，所述第三介质层的材料为石英，厚度为50微米，介电常数为3.75，所述谐振单元沿第二方向的周期长度Px为320微米，沿第一方向的周期长度Py为160微米，所述第一金属谐振结构21和第二金属谐振结构22之间的距离h为160微米，入射波为太赫兹波，且为正入射(即i为0°)，偏振方向为X方向。

如图7所示，图7中示出了所述超材料谐振装置用有限元法计算得到的在0.2THz-1.0THz范围内的透射率谱曲线示意图。从图7中可以看出，1.08THz谐振峰为所述金属谐振结构的偶极谐振峰，Q值较低，且谐振频率随着所述金属谐振结构边长的变化而变化。而0.84THz处的谐振峰为所述超材料谐振装置的谐振峰，其品质因子Q值为290。

在本发明的又一个实施例中，所述谐振单元包括多个金属谐振结构，所述多个金属谐振结构至少包括第一金属谐振结构和第二金属谐振结构，且同一谐振单元中相邻金属谐振结构的之间的距离h为p/m±△h；其中，m为所述谐振单元沿第二方向包括的金属谐振结构的数量，所述相邻金属谐振结构之间的距离为相邻金属谐振结构中心之间沿第二方向投影的距离。优选的，△h的取值范围为【-0.20h-0.20h】，但本发明对此并不做限定，具体视情况而定。

需要说明的是，在本发明实施例中，当所述谐振单元中至少包括两个金属谐振结构时，将所述谐振单元中各金属谐振结构均匀分布定义为平衡态，在本发明实施例中体现为同一谐振单元中相邻金属谐振结构之间的距离h为p/m，将所述谐振单元中各金属谐振结构非均匀分布定义为失衡态，在本发明实施例中体现为同一谐振单元中相邻金属谐振结构的之间的距离h为p/m±△h，将△h值较小时，定义为微失衡态，△h越大，失衡现象越严重。

在上述实施例的基础上，在本发明的一个具体实施例中，如图8所示，所述第一金属谐振结构和第二金属谐振结构均为正方形的闭合金环，没有开口，厚度为200纳米，宽度为5微米，边长为60微米；所述第三介质层的材料为石英，厚度为50微米，介电常数为3.75。所述谐振单元沿第二方向的周期长度Px为320微米，沿第一方向的周期长度Py为160微米，第一金属谐振结构与第二金属谐振结构之间的距离h为158微米(即△h为2微米)，入射波为太赫兹波，且为正入射(即i为0°)，偏振方向为X方向。。

如图9所示，图9为假设平板波导材料无损时，所述谐振单元沿第二方向的周期长度Px为320微米，沿第一方向的周期长度Py为160微米，第一金属谐振结构与第二金属谐振结构之间的距离h为158微米(微失衡态)和160微米(平衡态)时，用有限元法计算得到的透射率谱曲线示意图，其中，曲线1为所述谐振单元中第一金属谐振结构和第二金属谐振结构之间的距离为158微米时，用有限元法计算得到的透射率谱曲线示意图，曲线2为所述谐振单元中第一金属谐振结构和第二金属谐振结构之间的距离为160微米时，用有限元法计算得到的透射率谱曲线示意图。由图9中可以看出，同一谐振单元中第一金属谐振结构和第二金属谐振结构之间的距离分别为158微米和160微米对应的透射率谱曲线在大部分频谱段都是重合的，在约1.0THz处都有一个偶极谐振峰(带阻)，但在0.872处只有同一谐振单元中第一金属谐振结构和第二金属谐振结构之间的距离为158微米对应的透射率谱曲线具有一个谐振峰，其谐振幅度(从峰值到谐振基线)为0.51，Q值为41206。

如表2所示，表2为不同△h时计算得到的谐振频率、幅值和Q值。

△d(微米)	中心频率(GHz)	谐振幅值	Q
				1	872.353	0.26	76886

2	872.328	0.51	41206
				4	872.286	0.63	15148
6	872.212	0.65	7620
				8	872.080	0.66	4229
10	871.937	0.66	2811

由表2可知，本发明实施例所提供的谐振装置具有较高的谐振品质因子，且△h越小，所述超材料谐振装置的失衡越小，谐振幅值越小，Q值越高。

需要说明的是，当平板波导厚度增加时，可能会有多个微失衡谐振峰(多阶模)出现，它们的频率、谐振幅值和品质因子都不相同。当平板波导厚度小于100微米时，在0.1-1.2THz范围内只有一个谐振峰，而在200微米和500微米时，分别会出现2个、5个谐振峰。

如图10所示，图10为△h为2微米时其中一个最低阶谐振峰频率与谐振品质因子Q值、平板波导厚度之间的关系曲线图。从图10可以看出，所述超材料谐振装置的谐振频率随着所述平板波导厚度的增加呈下降趋势，即通过改变所述平板波导的厚度可以调节所述超材料谐振装置的谐振频率，而且，当所述平板波导的厚度大于0.2mm时，所述超材料谐振装置的谐振品质因子随着所述平板波导厚度的增加呈上升趋势，且均较高。

还需要说明的是，改变所述金属谐振结构的边长，还可以调节偶极谐振峰的位置，从而可以通过调节微失衡谐振峰与偶极谐振峰两个模式的相互作用，使得微失衡谐振峰与偶极谐振峰不完全重合，实现Fano谐振(如图11所示，其对应的边长为68微米)，或使得微失衡谐振峰与偶极谐振峰重合，实现EIT(电磁感应透明)谐振(如图12所示，其对应的边长为70.6微米)。

在本发明的又一个优选实施例中，所述第一金属谐振结构和第二金属谐振结构均为正方形的闭合金环，没有开口，厚度为200纳米，宽度为5微米，边长为60微米；所述第三介质层的材料为石英，厚度为50微米，介电常数为3.75。入射波为太赫兹波，且为正入射(即i为0°)，偏振方向为X方向。在本实施例中，保持所述谐振单元中所述第一金属谐振结构和第二金属谐振结构之间的距离h为160微米，在320微米基础上逐渐增加或减少所述谐振单元沿第二方向的周期长度，可得到高Q谐振峰。实际上这里周期长度的增加或减少也表示△h的增大，即不平衡性的增加。

如表3所示，表3中示出了所述谐振单元不同周期长度时计算得到的谐振频率、幅值和Q值。

周期(微米)	谐振峰频率(THz)	幅值	Q
				322	0.8677	0.27	76587
326	0.8586	0.58	31112
				330	0.8496	0.62	16925
334	0.8408	0.64	11549
				338	0.8321	0.64	8768

如图13所示，图13示出了不同周期长度下计算得到的透射谐振峰曲线示意图。由图13和表3可以看出，谐振品质因子Q值随着周期长度的增大(即不平衡性的增加)而减小；谐振幅值随着周期长度的增大而增大，且很快趋于饱和；改变谐振单元的周期长度引起的微失衡谐振峰频率移动也很大，且基本是线性的。

在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述第一金属谐振结构至少具有一个第一开口，所述第二金属谐振结构上至少具有一个第二开口。需要说明的是，在本发明实施例中，所述第一金属谐振结构上可以具有一个或多个第一开口，也可以没有第一开口，所述第二金属谐振结构上也可以具有一个或多个第二开口，或没有第二开口，本发明对此并不做限定，具体视情况而定。还需要说明的是，在本发明实施例中，所述第一金属谐振结构上第一开口的数量与所述第二金属谐振结构上第二开口的数量可以相同或不同，所述第一金属谐振结构上第一开口的位置和第二金属谐振结构上第二开口的位置也可以相同或不同，本发明对此也不做限定，具体视情况而定。

如，当所述第一金属谐振结构和第二金属谐振结构的形状均为正方形时，所述第一开口的位置可以位于所述第一金属谐振结构的上端，所述第二开口位于所述第二金属谐振结构的下端，或者所述第一开口位于所述第一金属谐振结构的左端，所述第二开口位于所述第二金属谐振结构的右端，或所述第一开口位于所述第一金属谐振结构的上端，所述第二开口位于所述第二金属谐振结构的左端，等。

在上述实施例的基础上，当所述第一金属谐振结构至少具有一个第一开口，所述第二金属谐振结构至少具有一个第二开口时，所述第一金属谐振结构上第一开口所在的边与第一方向之间的第一夹角的取值范围为(0°，90°)；所述第二金属谐振结构上第二开口所在的边与第一方向之间的夹角的取值范围为(0°，90°)。优选的，所述第一夹角的取值范围为(0°，20°)；所述第二夹角的取值范围为(0°，20°)。需要说明的是，在本发明实施例中，同一谐振单元中，所述第一夹角与第二夹角可以相同，也可以不同，本发明对此并不做限定，具体视情况而定。

在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个具体实施例中，所述第一金属谐振结构和第二金属谐振结构均为正方形的闭合金环，厚度为200纳米，宽度为5微米，边长为80微米，第一开口位于所述第一金属谐振结构上端边长的中间，所述第二开口位于所述第二金属谐振结构下端边长的中间，且所述第一开口和第二开口的长度均为2微米；所述第三介质层的材料为石英，厚度为50微米，介电常数为3.75。太赫兹波正入射，偏振方向为X方向。第一金属谐振结构和第二金属谐振结构由平衡时的状态逆时针围绕其中心旋转4°，使所述第一夹角和第二夹角均为4°，得到本发明实施例中所提供的谐振装置。

如图14所示，图14中示出了假设平板波导材料无损时，第一夹角和第二夹角均为0°和均为4°时的透射率谱曲线示意图，其中，曲线3为第一夹角和第二夹角均为0°时的透射率谱曲线，曲线4为第一夹角和第二夹角均为4°时的透射率谱曲线。从图12中可以看出，当第一夹角和第二夹角均为0°时，在0.1-1.2THz频段内出现三个谐振峰，分别是所述金属谐振结构的LC谐振峰(0.31THz)、所述金属谐振结构的偶极谐振峰(1.1THz)和所述超材料谐振装置谐振峰(0.73THz，Q＝84)。而当第一夹角和第二夹角均为4°时，除了上述3个谐振峰不变外，在约0.87THz处还激发了一个所述超材料谐振装置的超高Q微失衡谐振峰。

如表4所示，表4中示出了第一夹角和第二夹角为不同值(即相较于平衡态旋转不同角度)时的超高Q微失衡谐振峰特性。

角度(°)	谐振峰频率(THz)	幅值	Q
				1	0.871	0.03	19524
2	0.871	0.11	18609
				4	0.871	0.30	14135
6	0.871	0.45	10486
				8	0.871	0.53	7514
10	0.871	0.57	5718

从表4中可以看出，本发明实施例所提供的谐振装置具有较高的谐振品质因子，且微失衡谐振频率对所述第一夹角和第二夹角的变化不敏感，随着所述第一夹角和第二夹角数值的增大(即不平衡性的增大)，其谐振峰强度也随之增加，且谐振品质因子Q减小。

由上可知，通过改变谐振单元中各金属谐振结构的形状、大小以及微失衡程度，可以实现不同Q值和谐振幅度的带阻滤波器、带通滤波器、Fano谐振、电磁感应透明(EIT)和慢波等器件。另外，这些谐振均可用于超灵敏传感器。

而且，谐振频率主要由周期、平板波导厚度及折射率决定。金属谐振结构的形状和尺寸对谐振频率影响较小，但对谐振幅度及Q值影响很大。因此，可通过改变所述超材料谐振装置的平板波导厚度及超材料谐振单元周期获得不同的谐振频率。

在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述金属谐振结构的形状可以为正方形、矩形、圆形、椭圆形、直线或曲线等，需要说明的是，在本发明实施例中，所述第一金属谐振结构和第二金属谐振结构的形状可以相同，也可以不同，本发明对此并不做限定，具体视情况而定。除此之外，所述第一金属谐振结构和第二金属谐振结构的尺寸也可以相同或不同，本发明对此也不做限定。

在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述第一介质层优选为空气层或半导体材料层或介质材料层或聚合物材料层；所述第二介质层优选为空气层或半导体材料层或介质材料层或聚合物材料层；所述第三介质层优选为半导体材料层、介质材料层或聚合物材料层；所述金属谐振结构的材料为金、银、铜、铝、镍、锌、钼、铁、镁等，本发明对此并不做限定，具体视情况而定。

综上所述可知，本发明实施例所提供的超材料谐振装置具有较高的谐振品质因子Q值，且可以应用于微波段，太赫兹波段及光波段的高性能器件和超灵敏度传感器等。

本说明书中各个部分采用递进的方式描述，每个部分重点说明的都是与其他部分的不同之处，各个部分之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (11)

1.一种超材料谐振装置，其特征在于，包括：

平板波导，所述平板波导包括第一介质层、第二介质层以及位于所述第一介质层和第二介质层之间的第三介质层，其中，所述第一介质层和第二介质层的折射率均小于所述第三介质层的折射率；

位于所述平板波导表面的多个沿第一方向延伸的类光栅结构，所述类光栅结构由位于所述平板波导表面的超材料谐振单元构成；

其中，所述谐振单元至少包括一个金属谐振结构，且所述金属谐振结构的厚度大于集肤深度。

2.根据权利要求1所述的超材料谐振装置，其特征在于，所述超材料谐振装置谐振波长满足：

光栅一级衍射条件：p(sinθ₁±sini)＝λ/n₁；

平板波导相位匹配条件： $2\·\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{nd}\cos \mathrm{\θ}-2{\mathrm{\φ}}_s-{2\mathrm{\φ}}_c=2\mathrm{N\π};$

其中，p为所述谐振单元的周期长度，即所述谐振单元沿第二方向的长度，所述第二方向垂直于所述第一方向；i和θ₁分别为入射电磁波的入射角和被类光栅衍射后的衍射角；λ为入射电磁波在真空中的波长，n₁,n,n₂分别为平板波导中第一介质层、第三介质层和第二介质层的折射率；d为第三介质层的厚度；θ为平板波导的导模角；φ_s为第三介质层与第一介质层界面上全反射相移；φ_c为第三介质层和第二介质层界面上全反射相移；N为导模阶数，为不小于零的整数。

3.根据权利要求2所述的超材料谐振装置，其特征在于，所述谐振单元包括多个金属谐振结构，所述多个金属谐振结构至少包括第一金属谐振结构和第二金属谐振结构，且同一谐振单元中相邻金属谐振结构之间的距离h为p/m；其中，m为所述谐振单元沿第二方向包括的金属谐振结构的数量，所述相邻金属谐振结构之间的距离为相邻金属谐振结构中心之间沿第二方向投影的距离。

4.根据权利要求2所述的超材料谐振装置，其特征在于，所述谐振单元包括多个金属谐振结构，所述多个金属谐振结构至少包括第一金属谐振结构和第二金属谐振结构，且同一谐振单元中相邻金属谐振结构的之间的距离h为p/m±△h；其中，m为所述谐振单元沿第二方向包括的金属谐振结构的数量，所述相邻金属谐振结构之间的距离为相邻金属谐振结构中心之间沿第二方向投影的距离。

5.根据权利要求4所述的超材料谐振装置，其特征在于，△h的取值范围为【-0.20h-0.20h】。

6.根据权利要求1-5任一项所述的超材料谐振装置，其特征在于，所述谐振单元包括多个金属谐振结构，所述多个金属谐振结构至少包括第一金属谐振结构和第二金属谐振结构，且所述第一金属谐振结构至少具有一个第一开口，所述第二金属谐振结构至少具有一个第二开口。

7.根据权利要求6所述的超材料谐振装置，其特征在于，所述第一金属谐振结构上第一开口所在的边与第二方向之间的第一夹角的取值范围为(0°，90°)；所述第二金属谐振结构上第二开口所在的边与第二方向之间的夹角的取值范围为(0°，90°)。

8.根据权利要求7所述的超材料谐振装置，其特征在于，所述第一夹角的取值范围为(0°，20°)；所述第二夹角的取值范围为(0°，20°)。

9.根据权利要求1-5或7-8任一项所述的超材料谐振装置，其特征在于，所述第一金属谐振结构和第二金属谐振结构的形状相同或不同。

10.根据权利要求1-5或7-8任一项所述的超材料谐振装置，其特征在于，所述第一金属谐振结构和第二金属谐振结构的尺寸相同或不同。

11.根据权利要求1-5或7-8任一项所述的超材料谐振装置，其特征在于，所述第一介质层为空气层或半导体材料层或介质材料层或聚合物材料层；所述第二介质层为空气层或半导体材料层或介质材料层或聚合物材料层；所述第三介质层为半导体材料层、介质材料层或聚合物材料层。