CN108508515A - 基于光能的微腔结构 - Google Patents
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Abstract
本发明揭露一种基于光能的微腔结构，具有全视角的角度接收谱(旋度φ≤360°，角度θ≤360°)及完全的能量耦合(耦合效率≤100％)。进一步的，提高广角度光子接收的角度响应性能与高效的模式耦合效率，借此，可提供以下3种(或更多)的应用：1、太阳能应用：无须挂载追日系统，即可实现多角度接收特性且拥优秀的耦合效率，并使结构紧凑而易于大规模加工集成；2、光通信应用：可突破电通讯天线的有效接收角度，并有高的通道容量及低的传输损耗，亚波长尺度可缩小现有的天线尺寸；及3、医疗应用：利用耦合机制产生的效应，可牵引微结构于空间或溶液中，靠近或贴合生物组织(如癌细胞)，达到直接性的放射线治疗，大幅度降低传统治疗手段的损害。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于特殊的微腔结构设计，可作用于高效的全角度光能收集及其应用
背景技术
光能的收集与应用大多围绕于太阳能相关产业，而现今的太阳能收集系统为增加有效的日照时间以提高产能，须配置追日装置或多角度棱镜。其中，传统的太阳能耦合器对空间光的入射角度非常敏感，接收效率的峰值与谷值呈现快速衰变且有效接收角度很窄。因此，即使配置追日系统也很难取得最佳的接收视角。
此外，太阳能耦合器的耦合效率直接地影响着能量的利用率，而耦合效率的不足连带影响应用(如光电转换)的质量。所以，传统的太阳能系统受限于接收角度与耦合效率等两大瓶颈，导致无法进一步破。
另一方面，传统上采用的无线电通讯(如移动电话)在速率传输上，已达现有技术上限，且具有高衰减、高能耗、体积大等问题，若采用无线光通讯可大幅度降低相关问题并提高通道传输容量。不过现有的无线光通讯设备，不论是接收端或发射端的光通讯装置依旧无法满足实际使用环境，其原因仍归咎于接收角度受限及耦合效率不高等两类主要问题。
发明内容
本发明的主要目的之一在于提高空间光的接收视角与耦合效率。
为达上述目的及其他目的，本发明提出一种基于光能的微腔结构，包含：单个或多个腔体，各微腔结构的腔体上覆盖一层金属薄膜，而该腔体内填充介质(如空气、二氧化硅等)。
于本发明的实施例中，该腔体周期大于或等于10nm，表层金属薄膜厚度大于或等于3nm。
于本发明的实施例中，该腔体内填充的介质的有效折射率小于该金属薄膜的有效折射率。
于本发明的实施例中，该腔体可等效为开放式及封闭式结构。
于本发明的实施例中，该微腔结构用于无线光通讯的接收/发射器，其包含光接收/发射天线，该天线上具有单/多个的微腔结构，而其模场为可逆模式。
于本发明的实施例中，该微腔结构用于光路传导，通过多个腔体间产生的模式激励与模式耦合达成，而每个腔体可为独立相异，以预激励模式与默认传导方向为基准。
于本发明的实施例中，该微腔结构用于微型可控机械，通过近场模场激发时产生的磁性牵引所达成结构位移。
于本发明的实施例中，该微腔结构用于目标追踪，通过模式激励与近场磁性牵引而于空间中贴近能量源。
借此，本发明实施例可通过具备良好的接收视角及高的能量耦合等特性，设计其微腔结构并进行优化。进一步的，提高空间光的广角度接收及光波导模式耦合的效能。此外，除了能在太阳能板的应用上提供较佳的光能接收、提高空间光入射的角度容忍值及高效模式转换等特性外，更可提供在生物医疗技术科学上的应用。透过模式激励与近场牵引，可于空间中贴近或黏附生物组织(增殖细胞-癌细胞)等。利用局部放射激励腔体高能反映，达到直接性的物理治疗。此外，可应用于无线光通讯的广角度收发器，更新传统电通讯的收发器的收发视角、通道容量、高衰减、高能耗等性能指针。透过球链设计，更能提供在微观下实现任意角度的光路传导。因此，本发明实施例所提供的微腔结构，能在诸多应用方面带来突破性的改革。
附图说明
图1a至图1b为本发明实施例中的微腔结构与模式激励及场效仿真图；
图2a至图2e为本发明实施例中，用于光能收集的微腔结构的示意图与模场分布模拟图；
图3为本发明实施例中用于无线光通讯收发天线的剖面示意图与模场分布示意图；
图4a及图4b为本发明实施例中用于微距光路传导的示意图；
图5a及图5b为本发明实施例中用于超威型可控机械示意图；
图6a至图6c为本发明实施例中用于特殊生物医疗技术的实施例示意图。
【符号说明】
100 球形腔
110 腔体
120 介质
200 金属薄膜
300 波导
411 光波导
412 接收端
510 人体组织
520 增殖细胞
R 球体的半径
nd 介质的折射率
nm 金属薄膜的折射率
λ 入射光波长
θ 光入射角度
具体实施方式
为充分了解本发明的目的、特征及性能，通过下述具体实施例并配合附图，对本发明进行详实的剖析及左证说明，其说明如下：
首先请参阅图1a至图1b，为本发明实施例中的基础微腔结构与模式激励及场效示意图。为理解分析之便，以下微型腔体110的结构型态假设为球形结构(而除球形之外，也可为方形、不规则形、圆形、多边形或菱形)。在本发明的实施例中，光能收集器具有的微腔结构包含至少一个球形腔100，也就是，该微腔结构可包含单个(如图1a所示)或多个(如图2a所示)的球形腔100。各该球形腔100的表面具有一层金属薄膜200，于该球形腔100内则是通过该金属薄膜200的壁面所包围而成的腔体110。该腔体110内填充有介质120(如空气、二氧化硅等)，该介质120为非金属介质且折射率为nd，该金属薄膜200的折射率为nm。其中，该介质120的折射率nd小于该金属薄膜200的折射率nm。该金属薄膜200的外表层到该腔体110的中心距离为大于或接近该腔体110的半径，在另一实施例中，该金属薄膜200的厚度为大于或等于3nm，球形腔的周期大于或等于10nm。
如图1b上半图所示，为本发明实施例中的微腔结构在不同入射光波长μm(横坐标)以及球形腔的腔体内的介质的不同折射率nd(纵坐标)间的关系图，并于关系图右侧显示出耦合入腔体110内的光能所形成的激励模式及场效仿真图。此例中的球形腔的半径r为200nm，于此，“编号c”的激励模式为二阶，“编号d”的激励模式为一阶。
如图1b下半图所示，为本发明实施例中的微腔结构在不同入射光波长μm(横坐标)以及不同球形腔的半径r(纵坐标)下的关系图，并于关系图右侧显示出进入腔体110内的光能所形成的激励模式及场效仿真图。此例中的球形腔的腔体内的介质的折射率nd为1，于此，“编号e”的激励模式为二阶，“编号f”的激励模式为一阶。其中，模式激励可为二阶以上的高阶模式。
由图1b所示，通过不同的光入射波长、腔体比例关系、介质折射率等变化量，可激励不同的腔体模式。因此，在固定的比例关系及介质折射率下，可以针对一个以上的光入射波长得到不同的模式激励。其中，配合理论建模与国际通用仿真软件(如FDTD solutions、COMSOL、a-FEM等)进行比对计算是一致的，左证其模型可靠性。由能场观测，能量集中于微腔结构内且无向外产生散射现象。所以，微腔结构模型拥有良好的模式束缚性及模式耦合性。
除比例关系外，本发明揭露微型结构中需计算其结构在稳态下的本征态：
并且符合微腔结构的共振条件：
其公式仅为结构切面默认参考，在计算上可依据现有结构变化调整。
综合上述图1a至图1b所示，本发明实施例中所示的微腔结构模型的配置下，具备全视角的接收谱及高的能量束缚等特性。进一步的，可提高广角度的光子吸收与模式耦合方面的效能。
如图2a及图2b所示，为本发明实施例中，用于光能收集的微腔结构的示意图。图2a为单微腔结构剖面图，图2b为数组摆放的光能收集立体模型图。实施例中，借鉴了图1a的原理进行设计，利用开放性的结构表面达到平面下最佳的接收视角。其中，结构可采用封闭性结构(如图1a)与开放性结构，在实施例中默认为开放性结构计算。
如图2c至图2e所示，为不同条件变量下的腔模式响应分析。图2c中针对不同的开放表面进行分析，腔体嵌入尺度T＝d/2r，其中d为金属薄膜厚度，r为半径。在定值的空间光入射下，不同的嵌入尺度接能够有效激励耦合模式且有高的模式束缚特性。图2d中调适不同的空间光入射角度，在广域的入射角度变量下，仍存在强的模式激励及模式束缚。因此，验证在广角度的光子吸收与耦合效率是适用于多种形式的微腔结构模型，且有极佳的性能表征。此外，目前光无线设备可视角度约为3度，因此无腔结构的接收角度谱远大于现有光无线设备的接收视角。
如图2e中所示，针对不同的入射波长分析。开放性的微腔结构拥有宽带特性，其有利于太阳能与光无线设备方面的应用。
如图3，为本发明实施例中用于无线光通讯收发天线的剖面示意图与模场分布示意图。利用微腔结构模型与光波导结合设计，实现无线收发天线模型，其中，所提模型为可逆模式，故可设计为接收与发射天线。
如图3上部所示，各球形腔底部耦接波导300(举例来说可为二氧化硅)，该波导300夹挤在两层金属薄膜200(举例来说可为金)中间。通过微腔结构吸收空间光入射的光能并利用模式转换与光波导产生模式共振，从而达成光无线收发天线的应用。其中，两个微腔结构间在特定计算的间距下会产生干涉现象。因此，如图3下部的波导场强分布中，可调控其波导能量传播方向(图为向左传播)。进一步的，如通讯基础理论可知。相较于电通讯，光通讯拥有高的通道容量、低衰减、低能耗等特性。
如图4a至图4b，为本发明实施例中用于微距光路传导的示意图。图4a利用入射光(如光波导411产生的入射光被传输至接收端412)激励产生电子位移的局域场，再利用衍射阶次原理激励微腔模式与近场微腔结构产生电子震荡。因此，介质结构链可通过近似的消逝场耦合，实现在微距下的任意角度传输。由图4b的场分布中，可实现在亚波长尺度下的弯曲光路传导，远小于现有的光纤传导方案。
如图5a至图5b，为本发明实施例中用于超威型可控机械示意图。如图5a至b所示，微腔结构在模式激励过程中，会与能量源产生磁性牵引现象。若微腔结构置于空间或溶液中，外部的能量场(源)可经由激励微腔结构的模式达到控制微腔结构的移动方向等方案。也可利用相对技术与设计，实现超威型可控机械(机器人)等应用。
如上述，微腔结构可与对应的能量场产生模式激励，在医学上不同的生物特征会有不同的能量表征。因此，可通过模式激励与近场磁性牵引而于空间中贴近能量源(如生物组织)作为目标追踪，进而利用于生物显影或生物样本检验(如血液样本)等方案。
在放射医疗方面，如图6a至图6c所示。为本发明实施例中用于特殊生物医疗技术示意图。如图6a在特定的生物特征(如人体组织510上的增殖细胞520)会提供特定的能量反映，通过对应的能量设计其微腔结构，使微腔结构与生物特征产模场激励并形成磁性牵引。如图6b所示，从而黏附于该生物特征表面或镶嵌，利用外部的放射线(如对生物特征无害射线)使微腔结构产生模式激励，此处可为高阶模式，而光能通过微腔结构转化为热能。如图6c所示，直接性的破坏该生物特征，达到全范围针对特定目标的放射线医疗，改革传统放射医疗的大范围破坏等问题。
综合上述实施例说明，通过本发明的微腔结构设计方案，可提供在光子吸收、光通信、微型机械、光路传导、医疗等方面带来突破性的进展。
本发明在上文中已以较佳实施例揭露，然而熟习本领域技术人员应理解的是，该实施例仅用于描绘本发明，而不应解读为限制本发明的范围。应注意的是，凡是与该实施例等效的变化与置换，均应设为涵盖于本发明的范畴内。因此，本发明的保护范围应当以权利要求书所界定的范围为准。
Claims (8)
1.一种基于光能的微腔结构，其特征在于，包含至少一个腔体，该腔体外表面覆盖一层金属薄膜，而该腔体内部填充介质。
2.如权利要求1所述的基于光能的微腔结构，其特征在于，该腔体周期大于或等于10nm，表层金属薄膜厚度大于或等于3nm。
3.如权利要求1所述的基于光能的微腔结构，其特征在于，该腔体内填充的介质的有效折射率折小于表层金属薄膜的有效折射率。
4.如权利要求1所述的基于光能的微腔结构，其特征在于，该腔体可等效为开放式及封闭式结构。
5.如权利要求1至4中任一项所述的基于光能的微腔结构，其特征在于，该微腔结构用于无线光通讯的接收/发射器，其包含光接收/发射天线，该天线上具有单/多个的微腔结构，而其模场为可逆模式。
6.如权利要求1至4中任一项所述的基于光能的微腔结构，其特征在于，该微腔结构用于光路传导，通过多个腔体间产生的模式激励与模式耦合达成，而每个腔体可为独立相异，以预激励模式与默认传导方向为基准。
7.如权利要求1至4中任一项所述的基于光能的微腔结构，其特征在于，该微腔结构用于微型可控机械，通过近场模场激发时产生的磁性牵引所达成结构位移。
8.如权利要求1至4中任一项所述的基于光能的微腔结构，其特征在于，该微腔结构用于目标追踪，通过模式激励与近场磁性牵引而于空间中贴近能量源。
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