CN107394317A - 任意极化透射spp产生器设计 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了任意极化透射SPP产生器的设计，所述设计的具体实施方式包括：设计具有二维透射梯度超表面的二维梯度板，所述二维梯度板能将TM和TE极化波和/或平面波转化为表面波；设计同时支持TM SPP和TE SPP传输的各向异性本征板，所述各向异性本征板由各向异性的金属贴片、金属面、中间介质组成；优化二维梯度板与本征板之间的距离，使所述极化波和/或平面波转化为SPP信号最佳，并组装成所需的极化透射SPP产生器；通过改变SPP产生器的入射波的极化角度，可以改变SPP信号的属性，进而产生任意SPP信号，通过FDTD和实验测量的方法验证任意极化SPP产生器的性能，其转换效率达到了81～83％。

Description

任意极化透射SPP产生器设计
技术领域
本发明属于通讯技术领域，涉及任意极化透射SPP产生器的设计。
背景技术
表面等离子激元(Surface plasmon polaritons，SPP)是由电磁场与电子震荡耦合产生的，局域化在两种介质界面并沿此界面传输的电磁激发态。由于其具有高度局域化，沿表面传播的优良性能，SPP在新型光子/微波器件、生物传感、亚波长成像等方便具有重要的应用前景和价值。
近年来，对于SPP的研究也得到了国际和国内各个研究团队的青睐，对于SPP有效激发、高效传输等进行了深入研究。然而，自然态下的SPP均只工作于TM传输模式(transverse magnetic mode)，对于任意形态SPP的高效激发是科学家们遇到的一项技术难题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术存在的缺陷，提供一种任意极化透射SPP产生器的设计。
本申请提供了任意极化透射SPP产生器的设计，所述设计包括：设计具有二维透射梯度超表面的二维梯度板，所述二维梯度板能将TM(Transverse Magnetic)和TE(Transverse Electric)极化波和/或平面波转化为表面波；设计同时支持TM SPP和TE SPP传输的各向异性本征板，所述各向异性本征板由各向异性的金属贴片、金属面、中间介质组成；优化所述二维梯度板与所述本征板之间的距离，使所述极化波和/或平面波转化为SPP信号最佳，并组装成所需的极化透射SPP产生器；通过改变所述SPP产生器的入射波的极化角度，可以改变SPP信号的属性，进而产生任意SPP信号。
在一些实施例中，所述设计具有二维透射梯度超表面的二维梯度板，所述二维梯度板能将TM和TE极化波和/或平面波转化为表面波，包括：设置中心工作频率f0＝9.6GHz；根据需求计算二维梯度超表面所需满足的透射相位和幅度；设计满足需求的透射基本单元，所述二维梯度超表面的每个超单元由5个基本单元构成，每个基本单元在x和y方向均实现高效透射，且相位相差90°。
在一些实施例中，所述设计同时支持TM SPP和TE SPP传输的各向异性本征板，包括：通过调节所述各向异性的金属贴片的尺寸，得到所需的色散需求。
在一些实施例中，所述的任意极化透射SPP产生器的设计，还包括：采用FDTD仿真以及实验测试的方法验证任意极化透射SPP产生器的性能，计算转换效率。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明根据广义折射/反射定律，首次设计了具有二维梯度超表面的二维梯度板，实现了任意极化传输波和\或平面波向表面波的完全转化；率先设计了各向异性本征板，既可以支持TE SPP传输，又可以支持TM SPP传输；改变入射波的极化角度，可以改变SPP信号的属性，进而产生任意SPP信号，从实验角度验证了任意极化SPP的传输特性，并计算了其转换效率达到了81～83％。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为根据本申请的任意极化透射SPP产生器的设计的一个实施例的流程图；
图2为任意极化透射SPP产生器的示意图，其中，SPP产生器由上层二维梯度板和下层本征板两部分组成，分别采用(a)TM，(b)TE，(c)45°线极化波和(d)60°线极化波激发时，可以产生(a)TM，(b)TE，(c)圆极化和(d)椭圆极化的SPP信号；
图3为超单元结构示意图；
图4为基本单元传输特性的仿真图，其中，图4(a)为x极化电磁波激励下基本单元的传输幅度仿真图，图4(b)为x极化电磁波激励下基本单元的传输相位仿真图，图4(c)为y极化电磁波激励下基本单元的传输幅度仿真图，图4(d)为y极化电磁波激励下基本单元的传输相位仿真图；
图5为基本单元电场分布的示意图，其中，图5(a)为x极化电磁波激励下基本单元的电场分布，图5(b)为y极化电磁波激励下基本单元的电场分布；
图6为二维梯度超表面的加工样品示意图；
图7为本征板的加工样品示意图，其中，插图为单元视图，其结构参数为p＝6mm，a＝1.5mm,b＝5.2mm；
图8为测试的工作频率处的场分布的示意图，其中，图8(a)为TM极化波激励下，测试的Ez场分布的示意图，图8(b)为TE极化波激励下，测试的Hz场分布的示意图；
图9为仿真和测试的不同极化电磁波的色散关系的示意图；
图10为加工组装的任意透射SPP产生器的示意图；
图11为FDTD仿真的SPP激发传输过程的示意图，其中，图11(a)为采用TM极化波激励时，TM SPP激发传输过程的示意图，图11(b)为采用TE极化波激励时，TE SPP激发传输过程的示意图；
图12为测试得到的SPP信号分布的示意图，其中，图12(a)为采用TM极化波入射时，采用电天线(单极子天线)测试得到的Ez信号分布的示意图；图12(b)为采用TE极化波入射时，采用磁天线(螺旋天线)测试得到的Hz信号分布的示意图；
图13为测试得到的任意SPP信号的示意图，其中，图13(a)为采用30°极化波入射时，分别测试得到的xoz平面上的Ez信号和Hz信号分布的示意图，图13(b)为采用45°极化波入射时，分别测试得到的xoz平面上的Ez信号和Hz信号分布的示意图，图13(c)为采用60°极化波入射时，分别测试得到的xoz平面上的Ez信号和Hz信号分布的示意图；
图14为测试得到的二维梯度板和金属板的远场信号的示意图，其中，图14中第一幅图为采用TE波激发时，二维梯度板和相同大小的金属板在9.6GHz的散射场的示意图，图14中第二幅图为采用TM波激发时，二维梯度板和相同大小的金属板在9.6GHz的散射场的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方案对本发明的技术方案作进一步详细地说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
参考图1，示出了根据本申请的任意极化透射SPP产生器的设计的一个实施例的流程图100。所述的任意极化透射SPP产生器的设计，包括以下步骤：
步骤101，设计具有二维透射梯度超表面的二维梯度板，二维梯度板能将TM和TE极化波和/或平面波转化为表面波。
在本实施例中，设计具有二维透射梯度超表面的二维梯度板，二维梯度板能将TM和TE极化波和/或平面波转化为表面波。
任意极化SPP的产生机理：2011年，YU等提出了广义折射/反射定律，当电磁表面存在相位梯度时，及时，其中，C0为任意初始相位，ξ0为相位梯度，x表示位置坐标，表示所需相位，此时垂直入射到该电磁表面的电磁波会发生波束偏折，其偏折角度由公式θ＝sin-1(ξ0/k0)决定，其中，k0为传播常数，θ为偏折角度。当ξ0＞k0时，电磁波会转化为表面波，然而，由于传输波与表面波间的动量失配，传输波不能直接转化为SPP，必须将极化波和/或平面波通过本征板转化为SPP，这也是提高SPP转化效率的有效方法之一。然而，对于任意极化SPP，如何高效激发、如何高效转化为SPP是存在的两大挑战。这里，采用具有二维透射梯度超表面的二维梯度板实现任意SPP的激发。二维透射梯度超表面上的相位分布满足其中，ξ1和ξ2为设定的相位梯度，C1和C2为设定的初始相位，表示TM电磁波激励下，x方向的相位，表示TE电磁波激励下，x方向的相位，这里为了保证TM和TE SPP的传输的波矢一致性，设置ξ1＝ξ2，同时为了确保合成SPP的任意极化特性，设置C1-C2＝90°，即相位相差90°。
继续参考图2，图2为任意极化透射SPP产生器的示意图。SPP产生器由上层二维梯度板和下层本征板两部分组成，如图2(a)所示，采用TM极化电磁波激发时，在本征板上可以探测到TM形式的SPP信号。如图2(b)所示，将激发喇叭旋转90°，采用TE极化电磁波激发时，可以产生TE SPP信号。而当激发角度介于0°～90°之间时，在本征板上会探测到长轴短轴变化的椭圆极化波，如图2(d)所示，特别的，当激发角度为45°时，长轴和短轴一致，即产生圆极化SPP信号，见图2(c)。
在本实施例中，要产生任意形态的SPP，最关键的是设计具有需要相位梯度的二维梯度超表面的二维梯度板，其中，上述二维梯度板可以将TM和TE极化波和/或平面波均转化为表面波，二维梯度超表面的相位分布为其中，k0为传播常数，C1为设定的初始相位，表示TM电磁波激励下，x方向的相位，表示TE电磁波激励下，x方向的相位，其工作频率设置为9.6GHz，根据需求计算所需满足的透射相位；二维梯度超表面的每个超单元由5个基本单元构成，基本单元为透射基本单元，超单元结构如图3所示，超单元由图3所示的5个基本单元构成，每个基本单元由4层金属结构，3层介质层相间而成，介质层采用厚度为1.5mm，介电常数εr＝6+0.01i的微波复合板，其中，i为虚数，基本单元周期为6mm。
下面，我们通过有限时域差分FDTD(Finite-difference-time-domain，有限时域差分)仿真来计算基本单元的传输频谱。继续参考图4，图4为基本单元传输特性的仿真图，图4的各图中，No.1、No.2、No.3、No.4、No.5表示5个基本单元的传输特性的仿真图。其中，图4(a)和图4(b)表示采用x极化的电磁波垂直入射到由周期性的基本单元组成的超表面上，仿真得到的传输幅度和传输相位的仿真图，可以看出，5个基本单元在工作频率9.6GHz处分别出现了高透传输窗口(|txx|＞0.85)，且基本单元间相位相差72°，与我们设计的梯度要求一致。同样的，图4(c)和图4(d)表示采用y极化的电磁波对单元进行激励时，仿真得到的传输幅度和传输相位的仿真图，可以看出，5个基本单元均在9.6GHz出现了高透峰(|tyy|＞0.84)，且相位相差72°。对于同一个基本单元，均满足即同一个基本单元在x和y方向相位相差90°，表示在x方向相位，表示在y方向相位。
基本单元的高透特性也可由电场分布得到。继续参考图5，图5(a)为x极化电磁波激励下基本单元的电场分布，在x极化的电磁波照射下，基本单元出射相位具有72°相位差，且入射电磁波几乎实现了全透射。图5(b)为y极化电磁波激励下基本单元的电场分布。
根据前面分析，我们加工了一块二维梯度超表面样品，该样品由25×20个基本单元构成，采用标准的PCB技术加工压合而成，大小为150×120mm2。图6示出了该二维梯度超表面的加工样品示意图。
步骤102，设计同时支持TM SPP和TE SPP传输的各向异性本征板，各向异性本征板由各向异性的金属贴片、金属面、中间介质组成。
在本实施例中，各向异性本征板的工作机理可由等效媒质模型来描述，对于图7中各向异性本征板的单元，其等效媒质模型可以由磁材料放在金属板上的模型来表征，很显然，磁导率为正的媒质可以支持TM SPP的传输，而磁导率为负的媒质可以支持TE SPP的传输。当上层结构为各向同性时，其等效磁导率或为正或为负，不可能同时支持TM和TE SPP的传输。对于各向异性结构，可以通过调节各向异性结构尺寸(如图7中a和b)来获得不同需求的等效磁导率和/或色散需求。事实上，TM SPP仅能感受到μyy分量，而TE SPP仅对μxx分量比较敏感，最终优化的结构参数为p＝6mm，a＝1.5mm,b＝5.2mm。我们对精心优化的本征板进行了加工，本征板的加工样品示意图如图7所示。
在本实施例的一些可选的实现方式中，通过调节各向异性本征板的各向异性的金属贴片的尺寸，得到所需的色散需求，使本征板同时支持TM SPP和TE SPP传输。
接下来，我们通过FDTD仿真和实验角度来检测本征板的特性。采用TM和TE极化波分别照射二维梯度超表面，在本征板上分别用电天线和磁天线测试本征板上的Ez和Hz分量，工作频率9.6GHz处，其场分量分别如图8所示。图(a)为TM极化波激励下，测试的Ez场分布，图(b)为TE极化波激励下，测试的Hz场分布；由于TM波和TE波不存在Ez和Hz分量，因此探测到的场为产生的SPP场。由图8，我们可以计算出TM SPP和TE SPP的工作波长，测试的TMSPP的工作波长为λTMSPP＝29.8mm,TE SPP的工作波长为λTESPP＝30.1mm。采用相同的方法，可以提取不同频率本征板的色散曲线，见图9，其中，图9为仿真和测试的不同极化电磁波的色散关系的示意图，Sim.表示仿真，Mea.表示测试，可以看出，仿真曲线与测试曲线走势一致，仿真结果与测试结果吻合良好，其中，与五角星曲线(TM的测试曲线)走势一致的实线曲线是TM的仿真曲线，与圆球曲线(TE的测试曲线)走势一致的实线曲线是TE的仿真曲线。
步骤103，优化二维梯度板与本征板之间的距离，使极化波和/或平面波转化为SPP信号最佳，并组装成所需的极化透射SPP产生器。
在本实施例中，设计好了二维梯度板和各向异性本征板，我们可以组装生成任意所需的极化透射SPP产生器，见图10。SPP产生器由上层二维梯度板与下层本征板组成，两者之间高度精度优化达到最佳的转化效率，此时二维梯度板与本征板之间的距离d＝13mm。SPP产生原理可以这样理解，由喇叭天线发射的平面波信号经过二维梯度板转化为表面波信号，表面波耦合到本征板，以本征态的形式传输，生成SPP信号。
步骤104，通过改变SPP产生器的入射波的极化角度，可以改变SPP信号的属性，进而产生任意SPP信号。
在本实施例的一些可选的实现方式中，采用FDTD仿真以及实验测试的方法验证任意极化SPP产生器的性能，计算转换效率。
接下来，我们分别从仿真和实验的角度来验证SPP产生器的性能。继续参考图11，图11(a)为采用TM极化波激励时，TM SPP激发传输过程的示意图，图11(b)为采用TE极化波激励时，TE SPP激发传输过程的示意图，由图11(a)可知，垂直入射一束TM信号到二维梯度板，平面传输波被转化为SPP信号，少量反射是由非完美透射的梯度板造成的。同样的(见图11(b))，采用TE极化波入射时，在本征板上也观测到了TE SPP信号。通过测量波束的波长，可以得到SPP信号的传播常数为kTMSPP＝211m-1,kTESPP＝208m-1，与设计的传播常数值kSPP＝209.4m-1吻合良好。
继续参考图12，图12为测试得到的SPP信号分布的示意图，采用喇叭天线照射二维梯度超表面，在本征板上测试其Ez场分布，工作频率处xoz面上的场分布如图12(a)所示，可以看出，在本征板上确实探测到了SPP分布信号，测试的传播常数为kTMSPP＝210.8m-1，与设计结果、仿真结果具有高度一致性。图12(b)为采用TE极化波入射时，采用磁天线(螺旋天线)测试得到的Hz信号分布的示意图，对于TE SPP，这里我们探测其Hz信号，由于入射场不携带Hz信号，而螺线圈天线仅能探测到磁信号，采用螺线圈天线作为磁信号探测器，可以计算出其传播常数为kTMSPP＝207.5m-1，又一次证明了设计、仿真结果的正确性。
接下来，我们验证任意SPP的产生。由之前分析可知，通过改变入射波的极化角度，可以改变SPP信号的属性，进而可以产生任意SPP信号。图12已经分别验证了TM SPP，TE SPP信号的产生，这里，我们主要验证椭圆极化和圆极化SPP信号的产生。如图13(a)所示，图13(a)为采用30°极化波入射时，分别测试得到的xoz平面上的Ez信号和Hz信号分布的示意图。可知当极化角为30°，此时信号为TM SPP和TE SPP的混合模式，但TM信号强于TE信号，沿界面传输的SPP信号表现为横轴为x轴的椭圆极化信号。当极化角度为45°时，TM和TE分量强度相当，且初始相位具有90°相位差，此时SPP信号表现为圆极化特性，见图13(b)，其中，图13(b)为采用45°极化波入射时，分别测试得到的xoz平面上的Ez信号和Hz信号分布的示意图。继续加大极化角度为60°时，TE SPP信号数量增大，TM SPP信号减弱，最终表现为横轴为y轴的椭圆极化信号，如图13(c)所示，其中，图13(c)为采用60°极化波入射时，分别测试得到的xoz平面上的Ez信号和Hz信号分布的示意图。
最后，我们测试SPP产生器的远场特性。继续参考图14，采用TM极化波垂直照射二维梯度板，采用另一个喇叭天线在1.2米的圆周上测试散射场强度。作为对比，同时测试具有相同大小的金属板的散射场特性，结果如图14中第二幅图所示，MS表示二维梯度板的散射场，Ref表示金属板的散射场，可以看出，SPP产生器在工作频率处的散射场被急剧压缩，这间接证明了二维梯度板将传输波转化为了表面波。对于TE极化的激励波，SPP产生器在工作频率处的散射场也急剧减小，其与金属板的能量散射对比如图14中第一幅图所示。分别积分梯度板和金属板不同方向散射场的能量，可以计算SPP产生器的总反射为RTM＝15％和RTE＝17％。最后我们计算SPP产生器的转化效率，转化效率η可以表征为η＝1-R-A，其中R为反射，A为吸收，这里，我们取A＝2％。可以计算出TM SPP和TE SPP的转换效率分别为ηTMSPP＝83％和ηTESPP＝81％。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (4)

1.任意极化透射SPP产生器的设计，其特征在于，所述设计包括：
设计具有二维透射梯度超表面的二维梯度板，所述二维梯度板能将TM和TE极化波和/或平面波转化为表面波；
设计同时支持TM SPP和TE SPP传输的各向异性本征板，所述各向异性本征板由各向异性的金属贴片、金属面、中间介质组成；
优化所述二维梯度板与所述本征板之间的距离，使所述极化波和/或平面波转化为SPP信号最佳，并组装成所需的极化透射SPP产生器；
通过改变所述SPP产生器的入射波的极化角度，可以改变SPP信号的属性，进而产生任意SPP信号。
2.根据权利要求1所述的任意极化透射SPP产生器的设计，其特征在于，所述设计具有二维透射梯度超表面的二维梯度板，所述二维梯度板能将TM和TE极化波和/或平面波转化为表面波，包括：
设置中心工作频率f0＝9.6GHz；
根据需求计算二维梯度超表面所需满足的透射相位；
设计满足需求的透射基本单元，所述二维梯度超表面的每个超单元由5个基本单元构成，每个基本单元在x和y方向均实现高效透射，且相位相差90°。
3.根据权利要求1所述的任意极化透射SPP产生器的设计，其特征在于，所述设计同时支持TM SPP和TE SPP传输的各向异性本征板，包括：
通过调节所述各向异性的金属贴片的尺寸，得到所需的色散需求。
4.根据权利要求1所述的任意极化透射SPP产生器的设计，其特征在于，所述设计还包括：
采用FDTD仿真以及实验测试的方法验证任意极化透射SPP产生器的性能，计算转换效率。
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