CN105633588B - 一种偏振不敏感导模谐振品质因子可调超材料谐振装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种偏振不敏感导模谐振品质因子可调超材料谐振装置，包括平板波导和平板波导之上的由金属谐振单元构成的超材料。所述超材料谐振单元是一个复合结构，含有四个金属谐振环，其中四个金属谐振环关于所述谐振单元的中心对称，并且第一金属谐振环和第二金属谐振环的边长不等。由此可见，该谐振装置对偏振不敏感。此外，通过超材料包层的类光栅衍射效应，可实现导模共振，并且通过改变金属谐振环的大小，可以对导模谐振的品质因子进行调节，以及控制导模和表面模的相互作用，实现电磁感应透明。

Description

一种偏振不敏感导模谐振品质因子可调超材料谐振装置
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器件、传感及光谱成像等领域具有非常重要的应用。然而，很多超材料结构对偏振敏感。
光栅导模谐振是由于电磁波耦合进波导而形成的，其能量局限于波导内，克服了超材料谐振单元金属的欧姆损耗和辐射损耗，且能很大程度地限制谐振能量的泄漏，使其可以具有很高的品质因数(Q值)。但是由于超材料结构的复杂性、参数的多样性，不同结构的光栅效应区别较大，影响导模谐振峰的峰宽和幅值等结果。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种偏振不敏感导模谐振品质因子可调超材料谐振装置，不仅使导模谐振对偏振不敏感，而且提高其谐振品质因子。
为解决上述问题，本发明实施例提供如下技术方案：
一种偏振不敏感导模谐振品质因子可调超材料谐振装置，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由金属谐振单元组成的超材料。
进一步的，谐振单元与波导层厚度方向垂直的面沿X、Y方向的周期均为2d。
进一步的，所述谐振单元包括四个金属谐振环，即第一金属谐振环，第二金属谐振环，第三金属谐振环，第四金属谐振环，且第一金属谐振环和第四金属谐振环关于原点对称，第二金属谐振环和第三金属谐振环关于原点对称，并且第一金属谐振环和第二金属谐振环边长不等，同一谐振单元中相邻金属谐振环的中心距离为d。
进一步的，所述金属谐振环的边长取值范围是(0，d)。
进一步的，所述金属谐振环的形状相同。
进一步的，所述金属谐振环可存在开口。
进一步的，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。
所述超材料谐振装置的导模谐振品质因子可调，特征在于：
改变第一金属谐振环和第二金属谐振环边长的差值，可以对导摸谐振品质因子进行调节。
与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：
本发明首次提出通过改变第一金属谐振环和第二金属谐振环的尺寸来调节导模的特性，且谐振装置对偏振不敏感。此外，还可通过调节导模谐振和超材料偶极谐振的相互作用，实现电磁感应透明(EIT)。
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个实施例，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为本发明一个具体实施例所提供超材料谐振单元的示意图。
图2为所述第三介质层的厚度为50微米、介电常数为3.5时，所述谐振单元沿X方向的周期Px为320微米，沿Y方向的周期Py为320微米；四个金属谐振环均为正方形金属环，金属为铜，厚度为200纳米，线宽为10微米，边长为a1＝140微米，a2＝100微米，a3＝100微米，a4＝140微米，根据有限元法计算得到的在0.2THz-1.2THz范围内的透射率谱曲线示意图。
图3为调整四个金属谐振环的边长分别为140微米，60微米，60微米，140微米时，TM0导模谐振峰与偶极谐振峰相互作用产生EIT。
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和使其偏振不敏感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偏振不敏感导模谐振品质因子可调超材料谐振装置，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由金属谐振单元组成的超材料，所述谐振单元包括四个金属谐振环，相邻谐振环之间的距离为d。
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，所述类光栅结构由超材料谐振单元构成，谐振单元有四个金属谐振环。该谐振装置的超材料结构实际上也是一个广义的二维光栅结构，具有类似于光栅的衍射功能，即可以把谐振装置看作沿两个对角线方向延伸的光栅，光栅周期为实现±45度斜光栅的效应，满足超材料包层平板波导相位匹配条件的电磁波耦合进波导产生导模谐振。并且，超材料谐振单元沿X、Y方向的周期均为2d，谐振单元中心对称，所以此结构对偏振不敏感。通过改变超材料谐振单元的结构参数来调节光栅强度，可实现导模谐振强度和Q值的控制。
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，所述的谐振装置，其特征在于，所述谐振单元有四个金属谐振环，且所述谐振单元中相邻的金属谐振环的中心距离为d，金属为铜，厚度为200纳米，宽度为10微米，边长为a1＝140微米，a2＝100微米，a3＝100微米，a4＝140微米，所述第三介质层的材料(PI)的介电常数为3.5。所述谐振单元沿Y方向的周期长度Py为320微米，沿X方向的周期长度Px为320微米，入射波为太赫兹波，且为正入射，偏振方向为X方向，因为整体结构对偏振不敏感，所以偏振方向为Y方向时，透射谱完全一样。
如图2所示，图2为根据图1的结构参数计算得到的在0.2THz-1.2THz时的透射谱。在图中可以看出，在0.5THz和0.68THz的时候有两个偶极谐振峰，在0.93THz处是一个TE0导模谐振峰，在1.16THz处是一个TM0导模谐振峰。导模谐振峰的频率点由光栅衍射方程和平板波导相位匹配条件计算得到。本超材料结构是一个广义的二维光栅结构，可以把谐振装置看作沿两个对角线方向延伸的光栅，周期为具有±45度的斜光栅效应。可以把电场沿导模传播方向和垂直导模传播方向分解为两个分量，即+45度分量和-45度分量，当分量与导模的传播方向垂直，即在0.93THz产生了TE0导模。类似的，把磁场做同样的分解，在1.16THz处产生TM0导模。
把a1定为140微米，改变a2的值的TE0导模谐振峰和TM0导模谐振情况由表1和表2所示，可以看出改变金属谐振环的边长可以对导模进行调节，并可以来提高品质因子。
表1：
a2(um) 谐振峰频率(THz) 谐振峰幅值 品质因数
136 0.87 0.096 556
134 0.88 0.184 498
132 0.88 0.279 423
130 0.89 0.360 367
120 0.90 0.482 226
60 0.88 0.585 170
表2：
a2(um) 谐振峰频率(THz) 谐振峰幅值 品质因数
120 1.16 0.01 1205
110 1.16 0.02 686
100 1.16 0.23 560
90 1.16 0.49 269
如图3所示，a1＝140微米，a2＝60微米，可以看出在0.5THz处有一个偶极谐振峰，在0.9THz处的是TE0导模谐振峰，在1.18THz处是由TM0导模谐振峰和偶极谐振峰所形成的EIT。
在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述金属谐振单元的形状为正方形，需要说明的是，在本发明实施例中，谐振环的形状相同。
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；所述金属谐振环的材料为金、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。
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。
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。
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 (4)

1.一种偏振不敏感导模谐振品质因子可调超材料谐振装置，其特征在于，包括：平板波导和位于所述平板波导表面的由金属谐振单元组成的超材料；
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；
所述谐振单元包括四个金属谐振环，即第一金属谐振环，第二金属谐振环，第三金属谐振环，第四金属谐振环，且第一金属谐振环和第四金属谐振环关于原点对称，第二金属谐振环和第三金属谐振环关于原点对称，并且第一金属谐振环和第二金属谐振环大小不相等，同一谐振单元中相邻金属谐振环的中心距离为d，其中，谐振单元周期为2d；
其中由所述金属谐振单元构成的二维光栅沿所述金属谐振单元分布方向的±45度方向延伸，所述二维光栅的光栅周期为
改变第一金属谐振环和第二金属谐振环边长的差值，可以对导模谐振品质因子进行调节。
2.根据权利要求1所述的超材料谐振装置，其特征在于，金属谐振环的边长取值范围是(0，d)。
3.根据权利要求1-2任一项所述的超材料谐振装置，其特征在于：所述金属谐振环的形状相同。
4.根据权利要求1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聚合物材料层；所述第三介质层为半导体材料层或聚合物材料层。
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