CN108459364A - 一种电磁波准直结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电磁波准直结构，用于可见光频段范围的电磁波传输，包括：结构本体，所述结构本体包含正对所述电磁波照射方向的入射面以及与所述入射面相对的出射面，所述入射面和所述出射面均为用于阻止所述电磁波传播的金属面；穿透所述结构本体的通孔，所述通孔半径小于或等于所述电磁波的半波长，所述通孔深度小于或等于所述电磁波波长；在所述结构本体上以所述通孔为圆心、且距离所述通孔中心L处为起点、周期性设置的多个同心环状凹槽。实施本发明工艺简单，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及电磁波传输领域，更具体地说，涉及一种电磁波准直结构。
背景技术
随着电磁波技术发展，通过电磁波理论研究可见光的传输路径以达到获取可见光的最佳传输效果是一个长远的课题，而当前最常用的是利用光的传输对光的汇聚，也是光学准直结构研究的课题。各种利用光传播理论制作的准直结构均需要复杂的结构设计和精密的处理工艺，工艺复杂且成本高。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述现有准直结构工艺复杂、成本高的缺陷，提供一种电磁波准直结构。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种电磁波准直结构，用于可见光频段范围的电磁波传输，包括：
结构本体，所述结构本体包含正对所述电磁波照射方向的入射面以及与所述入射面相对的出射面，所述入射面和所述出射面均为用于阻止所述电磁波传播的金属面；
穿透所述结构本体的通孔，所述通孔半径小于或等于所述电磁波的半波长，所述通孔深度小于或等于所述电磁波波长；
在所述结构本体上以所述通孔为圆心、且距离所述通孔中心L处为起点、周期性设置的多个同心环状凹槽，其中L小于或等于10个所述电磁波波长，所述凹槽的结构周期P为0.5至2个所述电磁波波长，所述凹槽深度小于或等于所述电磁波的半波长。
优选地，所述同心环状凹槽设置在所述结构本体的出射面。
优选地，所述同心环状凹槽还设置在所述结构本体的入射面。
优选地，所述多个同心环状凹槽包含4个所述同心环状凹槽。
优选地，所述凹槽的宽度大致为所述结构周期P的一半。
优选地，所述结构本体包括用于阻碍所述电磁波传播的金属薄膜。
优选地，所述金属薄膜包括Au、Ag、Al和Cr中的一种或多种。
优选地，所述结构本体为亚波长级结构。
优选地，所述可见光包括红光、蓝光和绿光中的一种或多种。
优选地，当所述可见光为红光时，所述通孔半径近似为150nm，所述结构周期P近似为600nm，所述L近似为400nm；
当所述可见光为绿光时，所述通孔半径近似为150nm，所述结构周期P近似为400nm，所述L近似为300nm；
当所述可见光为蓝光时，所述通孔半径近似为120nm，所述结构周期P近似为900nm，所述L近似为1200nm。
实施本发明的一种电磁波准直结构，具有以下有益效果：通过简单的结构设计提高电磁波透过率，工艺简单，成本低。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明一种电磁波准直结构的结构示意图；
图2是本发明一种电磁波准直结构的截面图；
图3是本发明一种电磁波准直结构一实施例的出射光模拟效果图；
图4是图3实施例的极坐标下远场光强示意图；
图5是图3实施例的光强相对强度示意图；
图6是图3实施例的光强角度分布示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1和图2所示，在本发明的一种电磁波准直结构的实施例中，该电磁波准直结构用于可见光频段范围的电磁波传输，该电磁波准直结构包括：结构本体100，该结构本体100包含正对电磁波照射方向的入射面110以及与入射面110相对的出射面120，入射面110和出射面120均为用于阻止电磁波传播的金属面；穿透结构本体100的通孔130，该通孔130半径小于或等于电磁波的半波长，通孔130深度小于或等于电磁波波长；在结构本体100上以通孔130为圆心、且距离通孔130中心L处为起点、周期性设置的多个同心环状凹槽111，其中L小于或等于10个电磁波波长，凹槽111的结构周期P为0.5至2个电磁波波长，凹槽111深度小于或等于电磁波的半波长。具体的，基于纳米级金属表面等离子激元原理，本准直结构可以突破电磁波衍射极限。当电磁波到照射到结构本体100的入射面110，经过结构本体100上的通孔130也称为中心孔穿过结构本体100时，在没有同心环凹槽111结构时，通过通孔130的电磁波由于衍射效应会向四周发散。这个时候通过在结构本体100的出射面120添加同心环状凹槽111结构可以有效将出射电磁波耦合在通孔130范围内。从而实现对该电磁波的准直作用。通过同心环状凹槽111结构，电磁波透过率可以提高为单独通孔130设计的100～1000倍。在这里，根据电磁波的传输理论，保证电磁波在通孔130中的传播方向，通孔130半径小于或等于电磁波的半波长，通孔130深度小于或等于电磁波波长。而为了保证同心环状凹槽111结构能够将电磁波耦合在通孔130范围内，最内圈的环状凹槽111距离通孔130中心距离L小于或等于10个电磁波波长，同心环状凹槽111的结构周期P为0.5至2个电磁波波长，同心环状凹槽111深度小于或等于电磁波的半波长。可以理解的是，当可见光为混合光(例如为白光的时候)，可以将选择其中波长最小的某一可见光进行设计，也可以整个可见光的中心波长范围进行设计，尽量满足其他可见光可耦合在通孔130的条件。本结构本体100结构尺寸能够控制在几微米到几十微米，易于实现阵列化。且为平面结构，不涉及常规透镜使用的曲面或者曲面，借助于半导体工艺如纳米压印技术很容易实现批量生产。
进一步的，同心环状凹槽111设置在结构本体100的出射面120。具体的，由于通过通孔130的电磁波由于衍射效应会向四周发散，影响准直效果，这里通过出射面120设置同心环状凹槽111，可以使经过通孔130的电磁波汇聚，沿着垂直通孔130的方向继续传输，以保证电磁波传输路径的准直，达到准直效果。
有些实施例中，同心环状凹槽111还设置在结构本体100的入射面110。具体的，在上面的基础上，同时在结构本体100的入射面110设置同心环状凹槽111，该环状凹槽111结构透射到结构本体100入射面110的电磁波即通孔130周边的电磁波耦合进入通孔130，提高了入射面110的电磁波穿透通孔130的通过率。
进一步的，多个同心环状凹槽111包含4个同心环状凹槽111。具体的，根据通过调整该结构尺寸参数可以实现可见光范围内调控准直。对应发散角在10°以内，具有较佳的准直效果。并且发现对应环的数量为4个时透过率最高准直效果最好，当少于4个或者同心环状凹槽111数量减少时，可见光的透过率和准直效果均受损。而在4个的基础上继续增加同心环状凹槽111数量时，其可见光的通过率和准直效果增加并不明显，所以根据利用简单工艺达到最佳效果，将同心环状凹槽111的数量控制在4个为最佳。这里所说的4个同心环状凹槽111是指结构本体100的同一面的同心环状凹槽111。当然也不排除在某些特殊电磁波的情况下，其同心环状凹槽111的数量有其他特殊要求。
进一步的，凹槽111的宽度大致为结构周期P的一半。具体的，这里可以通过调整同心环状凹槽111的凹槽111宽度，调整对电磁波的衍射程度。在可见光范围内，通过将凹槽111的宽度控制大致为结构周期P的一半，即相当于凹槽111的宽度与凹槽111之间的间距大致相等，可以达到对可见光的最佳衍射。这里的大致相等可以理解为可以存在一定的偏差，而不是绝对相等。
进一步的，结构本体100包括用于阻碍电磁波传播的金属薄膜。具体的，结构本体100利用阻碍电磁波传播的金属薄膜制成，这样其出射面120和入射面110为金属薄膜的两个表面。这里金属薄膜可以为Au、Ag、Al和Cr中的一种或多种，不同金属对可见光的衍射性不同，可以调节结构本体100的金属表面，更好的调节对不同可见光的通过率和汇聚力。当然也可以采用其他的金属。通过金属薄膜设计，可以很容易的保证结构本体100为亚波长级微纳结构，更容易制作出亚波长级的结构本体100尺寸。当结构本体100为亚波长结构时，整个结构本体100的尺寸可以小到与可见光的波长为同一个量级，这样整个结构本体100的反射率、透射率、偏振特性和光谱特性等都显示出与常规衍射光学元件截然不同的特征，因而具有更大的应用潜力。进一步了解，当为亚波长结构，通过周边同心环对电磁波相位的协调作用，可以突破衍射极限，出射光束细小且散角小，利于远距离传输，且在电磁波接收端不需要进行再次聚焦。而传统透镜对电磁波进行聚焦后汇聚于一点，传输距离超过焦距又开始发散，在长距离使用时往往需要多个透镜来保证电磁波不被发散。
进一步的，可见光包括红光、蓝光和绿光中的一种或多种。具体的，可见光是电磁波谱中人眼可以感知的部分；一般人的眼睛可以感知的电磁波的波长在400～760nm之间，但还有一些人能够感知到波长大约在380～780nm之间的电磁波。常见的可见光的颜色包括红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等，在这里准直结构可以选择一种或者多种不同颜色的可见光作为用于准直作用的可见光。例如选择常用的红光、蓝光和绿光中的一种或多种。
在这里，当可见光为红光时，通孔130半径近似为150nm，结构周期P近似为600nm，L近似为400nm；当可见光为绿光时，通孔130半径近似为150nm，结构周期P近似为400nm，L近似为300nm；当可见光为蓝光时，通孔130半径近似为120nm，结构周期P近似为900nm，所述L近似为1200nm。可以理解，这里近似的结构是指结构尺寸在可以控制的偏差范围内，而不是一个绝对值，通过实验研究，当可见光分别采用红光、绿光或者蓝光的时候，可以按照其中心波长为基准进行设计，例如红光按照红光中心波长680nm、绿光光按照绿光光中心波长530nm，蓝光按照蓝光的中心波长460nm进行准直结构的各个尺寸进行设计，当通孔130和环状凹槽111的结构满足上面描述的尺寸要求时，其对应的可见光的汇聚理和穿透力最强，所能达到的准直效果最优。当采用红光、绿光和蓝光的混合光时，可以基于上面的结构尺寸做简单优化即可获得较高准直度的准直结构。
如图3所示的，在依据上面当可见光为绿光时的电磁波准直结构，同心环状凹槽111设置在结构本体100的两个面即出射面和入射面，且每个面的同心环状凹槽111数量设置为4个，按照上面尺寸设计通孔130，同心环状凹槽111的结构周期P及同心环状凹槽111与通孔130的距离L，同心环状凹槽111的宽度大致为结构周期P的一半，对应结构参数为r＝150nm，P＝400nm，L＝300nm，金属薄膜材料为Ag。改结构能对中心波长为532nm的电磁波具有最佳的准直效果，出射光束发散角小于20°。根据其绿光传输路径的效果仿真图，可以看出该准直结构能对绿光很好的汇聚以达到准直效果。具体的，图3为出射光模拟效果图，图4为极坐标下远场光强图，图5为沿不同角度方向收集的光强相对强度，图6为波长为532nm所对应的光强角度分布图。
可以理解的，以上实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，可以对上述技术特点进行自由组合，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围；因此，凡跟本发明权利要求范围所做的等同变换与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。
Claims (10)
1.一种电磁波准直结构，用于可见光频段范围的电磁波传输，其特征在于，包括：
结构本体，所述结构本体包含正对所述电磁波照射方向的入射面以及与所述入射面相对的出射面，所述入射面和所述出射面均为用于阻止所述电磁波传播的金属面；
穿透所述结构本体的通孔，所述通孔半径小于或等于所述电磁波的半波长，所述通孔深度小于或等于所述电磁波波长；
在所述结构本体上以所述通孔为圆心、且距离所述通孔中心L处为起点、周期性设置的多个同心环状凹槽，其中L小于或等于10个所述电磁波波长，所述凹槽的结构周期P为0.5至2个所述电磁波波长，所述凹槽深度小于或等于所述电磁波的半波长。
2.根据权利要求1所述的电磁波准直结构，其特征在于，所述同心环状凹槽设置在所述结构本体的出射面。
3.根据权利要求2所述的电磁波准直结构，其特征在于，所述同心环状凹槽还设置在所述结构本体的入射面。
4.根据权利要求3所述的电磁波准直结构，其特征在于，所述多个同心环状凹槽包含4个所述同心环状凹槽。
5.根据权利要求4所述的电磁波准直结构，其特征在于，所述凹槽的宽度大致为所述结构周期P的一半。
6.根据权利要求1所述的电磁波准直结构，其特征在于，所述结构本体包括用于阻碍所述电磁波传播的金属薄膜。
7.根据权利要求6所述的电磁波准直结构，其特征在于，所述金属薄膜包括Au、Ag、Al和Cr中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的电磁波准直结构，其特征在于，所述结构本体为亚波长级结构。
9.根据权利要求1所述的电磁波准直结构，其特征在于，所述可见光包括红光、蓝光和绿光中的一种或多种。
10.根据权利要求9所述的电磁波准直结构，其特征在于，当所述可见光为红光时，所述通孔半径近似为150nm，所述结构周期P近似为600nm，所述L近似为400nm；
当所述可见光为绿光时，所述通孔半径近似为150nm，所述结构周期P近似为400nm，所述L近似为300nm；
当所述可见光为蓝光时，所述通孔半径近似为120nm，所述结构周期P近似为900nm，所述L近似为1200nm。
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