CN108172963B - 一种全介质超表面电磁诱导透明谐振装置 - Google Patents

一种全介质超表面电磁诱导透明谐振装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种全介质超表面电磁诱导透明谐振装置，其基底由介质材料制作且介电常数大于0且小于等于4；介质谐振单元的介电常数大于等于6；介质谐振单元由上横部、中横部、下横部、上纵部和下纵部组成，上横部、中横部、下横部相互平行，上纵部和下纵部相互平行，上横部、中横部、下横部分别与上纵部、下纵部垂直，上横部一端与上纵部一端结合处的转角为90°，上纵部另一端与中横部一端结合处的转角为90°，中横部另一端与下纵部一端结合处的转角为90°，下纵部另一端与下横部一端结合处的转角为90°，上横部和下横部长度不等。本发明可产生同时具有高Q值和高峰值透过率的类电磁诱导透明谐振，可应用于慢波效应、非线性效应和传感应用中。

Description

一种全介质超表面电磁诱导透明谐振装置
技术领域
本发明涉及一种全介质超表面电磁诱导透明(类EIT)谐振装置，属于超材料技术领域。
背景技术
电磁诱导透明(EIT)是由多原子系统中的能级间干涉而产生。超材料类EIT效应是指通过超材料实现的在宽的阻带中出现一个窄的透过峰的类似于EIT的现象。其中的相消干涉会引起强色散作用，导致高群折射率，实现慢光效应。高品质因子的类EIT谐振可以应用于低损耗的慢光器件和高灵敏度的光学传感器中，并为非线性光学的研究开辟了新的方向。
传统的类EIT超材料都是由金属谐振结构基于Fano谐振构造。即由两个谐振结构分别产生宽的明模谐振和窄的暗模谐振，然后两个同频谐振相互干涉产生类EIT现象。但是金属结构的损耗较大，无法产生高透过率和高品质因子(Q值)的类EIT谐振。使用介质材料代替金属构建谐振结构可以大幅提高类EIT谐振的透过率和Q值。但是进一步地提高依然依赖于谐振结构的设计。文章Analogue Electromagnetically Induced TransparencyBased on Low-loss Metamaterial and its Application in Nanosensor and Slow-light Device，Plasmonics(2017)12：641-647介绍了一种新的结构设计方法，将明模和暗模谐振结构结合在一起，可以获得93％的透过率。然而如何获得同时具有高透过率和高Q值的类EIT谐振，成为本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种全介质超表面电磁诱导透明谐振装置，以产生同时具有高Q值和高峰值透过率的类EIT谐振。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：本发明种全介质超表面电磁诱导透明谐振装置包括基底和位于基底表面的呈二维周期性分布的介质谐振单元，所述基底由介质材料制作，基底的介电常数大于0且小于等于4；所述介质谐振单元的介电常数大于等于6；所述介质谐振单元由上横部、中横部、下横部、上纵部和下纵部组成，上横部、中横部、下横部相互平行，上纵部和下纵部相互平行，上横部、中横部、下横部分别与上纵部、下纵部垂直，上横部的一端与上纵部的一端的结合处的转角为90°，上纵部的另一端与中横部的一端的结合处的转角为90°，中横部的另一端与下纵部的一端的结合处的转角为90°，下纵部的另一端与下横部的一端的结合处的转角为90°，上横部和下横部的长度不相等。
进一步地，本发明所述上横部的左端与上纵部的上端的结合处的转角为90°，上纵部的下端与中横部的左端的结合处的转角为90°，中横部的右端与下纵部的上端的结合处的转角为90°，下纵部的下端与下横部的右端的结合处的转角为90°。
进一步地，本发明所述上横部的右端与上纵部的上端的结合处的转角为90°，上纵部的下端与中横部的右端的结合处的转角为90°，中横部的左端与下纵部的上端的结合处的转角为90°，下纵部的下端与下横部的左端的结合处的转角为90°。
进一步地，本发明所述上横部和下横部中的一个的长度大于中横部的长度，另一个的长度小于中横部的长度。
进一步地，本发明所述上横部和下横部中的一个与中横部具有相同的长度，另一个的长度大于中横部的长度。
进一步地，本发明所述上横部和下横部中的一个与中横部具有相同的长度，另一个的长度小于中横部的长度。
进一步地，本发明所述介质谐振单元的上横部、中横部、下横部、上纵部和下纵部的横截面为矩形。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明谐振装置可以产生同时具有高Q值和高峰值透过率的类EIT谐振，因而具有极大的实用价值。而现有的全介质超表面电磁诱导透明谐振装置存在Q值越高、峰值透过率则越低的缺陷，从而降低了其实用价值。
(2)本发明谐振装置结构设计简单，对于加工工艺的精度要求较低；并且不存在像现有技术那样难于加工的沟槽和间隙，加工极为方便。而现有谐振装置若要获得高Q值，则要求加工精度高，给实际加工带来了极大的困难。
(3)本发明谐振装置的类EIT谐振的Q值与中横部和下横部的长度差d1、中横部与上横部的长度差d2相关。当d1和d2的值较小时，Q值较高；当d1和d2的值增大时，Q值降低。因而可以根据需要，通过设置下横部与中横部的长度差d1、上横部与中横部的长度差d2而获得具有不同品质因子的谐振装置。
附图说明
图1为本发明谐振装置的一种实施方式的结构示意图；
图2为图1的左视图；
图3为图1中的一个介质谐振单元的结构示意图；
图4为本发明谐振装置的介质谐振单元的三种不同实施方式的结构示意图；
图5为在d1＝d2＝40纳米的情形下，图1所示的谐振装置在1.7～2.0微米范围内的透过率曲线图；
图6为在d1＝d2分别为40纳米、20纳米和10纳米时，图1所示的谐振装置在1.820微米附近的透过率曲线图；
图7为d1和d2中的一个为零，另一个分别为20纳米和10纳米时，图1所示的谐振装置在1.820微米附近的透过率曲线图。
具体实施方式
以下结合附图进一步详细说明本发明。
如图1至图4所示，本发明全介质超表面电磁诱导透明谐振装置包括基底2和位于基底表面的呈二维周期性分布的介质谐振单元1，基底2由介质材料制作，基底2的介电常数大于0且小于等于4。介质谐振单元1的介电常数大于等于6。介质谐振单元1由上横部11、中横部13、下横部15、上纵部12和下纵部14组成，上横部11、中横部13、下横部15相互平行，上纵部12和下纵部14相互平行，上横部11、中横部13、下横部15分别与上纵部12、下纵部14垂直，上横部11的一端与上纵部12的一端的结合处的转角16为90°，上纵部12的另一端与中横部13的一端的结合处的转角17为90°，中横部13的另一端与下纵部14的一端的结合处的转角18为90°，下纵部14的另一端与下横部15的一端的结合处的转角19为90°，上横部11和下横部15的长度不相等。
图3和图4示出了介质谐振单元1的四种不同的实施方式。其中，在图3和图4(a)所示的实施方式中，上横部11的左端与上纵部12的上端的结合处的转角16为90°，上纵部12的下端与中横部13的左端的结合处的转角17为90°，中横部13的右端与下纵部14的上端的结合处的转角18为90°，下纵部14的下端与下横部15的右端的结合处的转角19为90°。在图4(b)和图4(c)所示的实施方式中，上横部11的右端与上纵部12的上端的结合处的转角16为90°，上纵部12的下端与中横部13的右端的结合处的转角17为90°，中横部13的左端与下纵部14的上端的结合处的转角18为90°，下纵部14的下端与下横部15的左端的结合处的转角19为90°。
在图3和图4(b)所示的实施方式中，下横部15的长度l1+d1大于中横部13的长度l1，上横部11的长度l1-d2小于中横部13的长度l1。而在图4(a)和图4(c)给出的实施方式中，上横部11的长度l1+d2大于中横部13的长度l1，下横部15的长度l1-d1小于中横部13的长度l1。
作为本发明的一种实施方式，可以是上横部11与中横部13具有相同的长度，下横部15的长度大于中横部3的长度；也可以是下横部15与中横部13具有相同的长度，上横部11的长度大于中横部3的长度。
作为本发明的另一种实施方式，可以是上横部11与中横部13具有相同的长度，下横部15的长度小于中横部3的长度；也可以是下横部15与中横部13具有相同的长度，上横部11的长度小于中横部3的长度。
此外，介质谐振单元1的上横部11、中横部13、下横部5、上纵部12和下纵部14的横截面以矩形为优选。
如图1至图2所示，介质谐振单元1在基底2的表面上沿X轴方向和Y轴方向呈二维周期性分布，且分布周期都为P。入射电磁波沿Z轴正方向或者沿Z轴负方向垂直入射到谐振装置，入射电磁波的电场偏振方向沿Y轴方向。
以下以图1所示的谐振装置为例来说明本发明的技术效果。在本实施例中，全介质超表面电磁诱导透明谐振装置工作于近红外波段1.820微米波长附近，电磁波沿Z轴正方向或者沿Z轴负方向垂直入射到谐振装置，电磁波的电场偏振方向沿Y轴方向。基底2的材料为石英，介电常数为2.19；介质谐振单元1的材料为硅，介电常数为13.69。
如图3所示，介质谐振单元1沿X轴方向的周期长度和沿Y轴方向的周期长度P均为1100纳米。中横部的长度l1为750纳米，下横部15的长度为l+d1，上横部11的长度为l1-d2；上纵部12和下纵部14的长度l2为510纳米，上横部11、中横部13、下横部15、上纵部12和下纵部14的宽度w均为150纳米、高度h均为220纳米。
图5给出了图1所示的全介质超表面电磁诱导透明谐振装置在1.7～2.0微米范围内的透过率曲线。曲线使用有限元计算得到。从图5可以看出，当d1＝d2＝40纳米时，谐振装置在1.822微米处出现一个类EIT谐振峰。此透过峰透过率为87％，Q值为236。其中，谐振品质因子Q根据公式Q＝f0/Δf进行计算(其中，f0为类EIT谐振峰的谐振频率，Δf为类EIT谐振峰的半高全宽)。此类EIT谐振峰的透过率虽然较高，但是Q值还需要进一步提高。从图5中还可以看出，当d1＝d2＝0纳米，即三个横向区域长度相等时，谐振装置在1.820微米附近只有一个偶极谐振吸收峰，没有类EIT谐振峰出现。即出现同时具有高Q值和高透过率的类EIT谐振的要求是上横部和下横部的长度不相等。
作为上述实施例的一个优选方案，减小d1和d2的值可以在维持高透过率的基础上提高类EIT谐振的Q值。图6给出了在d1＝d2的三种情形下，全介质超表面电磁诱导透明谐振装置在1.820微米附近的透过率曲线，其中，d1和d2分别同时取40纳米、20纳米、10纳米。从图6中可以看出，随着d1和d2值的减小，类EIT谐振峰的透过率基本没有发生变化，但类EIT谐振峰的宽度明显变窄，也就是说Q值明显增大。表1给出了d1和d2不同取值下类EIT透过峰的峰值波长、峰值透过率和Q值。从表1中可以看出，在d1和d2变小的过程中，峰值波长和峰值透过率都没有改变，只有Q值在增大。
表1
d<sub>1</sub>(纳米) d<sub>2</sub>(纳米) 峰值波长(微米) 峰值透过率 Q值
40 40 1.822 0.87 236
20 20 1.822 0.87 836
10 10 1.822 0.87 3105
虽然继续减小d1和d2的值会持续增大类EIT谐振峰的Q值，但是会增加加工的难度。目前一般的光刻工艺都难以胜任10纳米以下精度的加工。然而，作为本发明的另一个优选方案，通过令d1和d2中任一个为零可以获得更高Q值的类EIT谐振。图7给出了d1和d2中其中一个为零，另一个分别为20纳米和10纳米时，本发明全介质超表面电磁诱导透明谐振装置在1.820微米附近的透过率曲线。从图7中可以看出，d1和d2中的其中一个为零时，可以获得非常窄的透过峰，而其峰值透过率并没有明显的降低。表2给出了d1和d2中的其中一个为零时类EIT透过峰的峰值波长、峰值透过率和Q值。从表2中可以看出，d1和d2中的其中一个为零时，可明显增大类EIT谐振峰的Q值，而峰值透过率随着Q值的增大略有减小，但是减小幅度不大。当d2为零时，可以获得比d1为零更高的Q值。即出现同时具有更高Q值和高透过率的类EIT谐振的一种优选方案是上横部和下横部中的一个与中横部具有相同的长度、另一个长度小于中横部的长度。
表2
d<sub>1</sub>(纳米) d<sub>2</sub>(纳米) 峰值波长(微米) 峰值透过率 Q值
20 0 1.826 0.857 3452
0 20 1.818 0.885 2905
10 0 1.824 0.858 13054
0 10 1.819 0.868 11776
本发明全介质超表面电磁诱导透明谐振装置可以应用于慢波、非线性效应和传感应用中，也可扩展至太赫兹、微波波段等波段。

Claims (5)

1.一种全介质超表面电磁诱导透明谐振装置，其特征在于：包括基底和位于基底表面的呈二维周期性分布的介质谐振单元，所述基底由介质材料制作，基底的介电常数大于0且小于等于4；所述介质谐振单元的介电常数大于等于6；所述介质谐振单元由上横部、中横部、下横部、上纵部和下纵部组成，上横部、中横部、下横部相互平行，上纵部和下纵部相互平行，上横部、中横部、下横部分别与上纵部、下纵部垂直，上横部和下横部的长度不相等；并且，
所述上横部的左端与上纵部的上端的结合处的转角为90°，上纵部的下端与中横部的左端的结合处的转角为90°，中横部的右端与下纵部的上端的结合处的转角为90°，下纵部的下端与下横部的右端的结合处的转角为90°；或者，
所述上横部的右端与上纵部的上端的结合处的转角为90°，上纵部的下端与中横部的右端的结合处的转角为90°，中横部的左端与下纵部的上端的结合处的转角为90°，下纵部的下端与下横部的左端的结合处的转角为90°。
2.根据权利要求1所述的全介质超表面电磁诱导透明谐振装置，其特征在于：所述上横部和下横部中的一个的长度大于中横部的长度，另一个的长度小于中横部的长度。
3.根据权利要求1所述的全介质超表面电磁诱导透明谐振装置，其特征在于：所述上横部和下横部中的一个与中横部具有相同的长度，另一个的长度大于中横部的长度。
4.根据权利要求1所述的全介质超表面电磁诱导透明谐振装置，其特征在于：所述上横部和下横部中的一个与中横部具有相同的长度，另一个的长度小于中横部的长度。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的全介质超表面电磁诱导透明谐振装置，其特征在于：所述介质谐振单元的上横部、中横部、下横部、上纵部和下纵部的横截面为矩形。
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