CN109085668B - 局域表面等离子体谐振器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微波技术领域，为解决现有的谐振器激发模式单一以及其基础部分无法摆脱金属固有的欧姆损耗的问题。本发明提供了一种局域表面等离子体谐振器，谐振器包括磁导体圆柱，在磁导体圆柱沿其周向均匀分布有多个光栅，光栅用于激励人工表面等离子体谐振；其中，光栅的高度与磁导体圆柱的高度相同，每相邻两所述光栅其中一个所述光栅由高磁导率材料构成，另一个所述光栅由低磁导率材料构成。通过由高磁导率材料和低磁导率材料制成的光栅均匀分布，当入射电磁波的电场垂直于磁导体圆柱的圆柱面(磁场方向平行于磁导体圆柱的圆柱面)时，本发明提供的谐振器能够激励出TE模式的谐振，而且，磁导体圆柱也能够摆脱金属固有的欧姆损耗问题。

Description

局域表面等离子体谐振器
技术领域
本发明属于微波技术领域，具体涉及一种局域表面等离子体谐振器。
背景技术
自从1902年Wood等人发现金属光栅的异常衍射现象[1]，1982年局域表面等离子体(Localized Surface Plasmon，简称LSP)技术应用到生物传感领域，再到1990年生物大分子相互作用分析仪的商业化应用，LSP在传感领域获得了巨大的成功。由于传播表面变化的高度敏感，以及在二维空间的传播特性，LSP在亚波长量级的光子功能元器件和集成中有良好的应用。1908年Mie通过解麦克斯韦方程组第一次从理论上对球形金属纳米粒子和光的相互作用进行了严格的数学描述，发现LSP是光与金属颗粒或者弯曲的金属表现上自由电子耦合的一种局域模式，最常见的就是金属纳米颗粒与光相互作用使电子在纳米颗粒上来回震荡的共振模式。LSP作用的基本单元一般是金属纳米单元粒子，粒子的尺寸一般远小于入射光波波长。当入射电磁波照射到粒子上，粒子周围的电场可看作为外加电场和电偶极子产生电场的线性叠加，粒子就等效为一个理想的电偶极子。目前LSP在医学、材料学、生物学、微电子等领域中应用广泛，但是LSP的共振频率远远高于微波和太赫兹波频段，无法应用在低频段。人工局域表面等离子体(Spoof Localized Surface Plasmon，简称，人工LSP)很好的填补了局域表面等离激子体共振在低频段的空白，在超材料领域中异军突起，可以很好地应用于微波和太赫兹波段，和光波段的局域表面等离子体相比，人工局域表面等离子体有很多独特的性质。
LSP谐振器的工作机理是，当平面波入射到谐振器结构时，谐振器会激励出TM模式(谐振产生的磁场垂直于圆柱面，电场平行于圆柱面)的谐振，由于谐振器对材料表面的折射率比较敏感，可以通过观察散射截面上峰值的频率来反推表面材料的折射率，达到无损检测的目的。而现有人工LSP技术的主要缺点是：激发模式单一，只能激励出TM模式的谐振，不能激励出TE模式(谐振产生的电场垂直于圆柱面，磁场平行于圆柱面)的谐振，应用范围有限；谐振器的基础是金属部分，无法摆脱金属固有的欧姆损耗问题。
因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述问题。
发明内容
为解决上述背景技术中指出的问题，即为了解决现有的谐振器激发模式单一以及其基础部分无法摆脱金属固有的欧姆损耗的问题。为此，本发明提供了一种局域表面等离子体谐振器，所述谐振器包括磁导体圆柱，在所述磁导体圆柱沿其周向均匀分布有多个光栅，所述光栅用于激励人工表面等离子体谐振；其中，所述光栅的高度与所述磁导体圆柱的高度相同，每相邻两所述光栅其中一个所述光栅由高磁导率材料构成，另一个所述光栅由低磁导率材料构成。
在上述谐振器的优选技术方案中，所述高磁导率材料的相对磁导率为大于等于100。
在上述谐振器的优选技术方案中，所述低磁导率材料的相对磁导率为0.99～1.10。
在上述谐振器的优选技术方案中，所述光栅的磁导率均匀。
本领域技术人员能够理解的是，在本发明的优选技术方案中，和传统LSP谐振器相比，通过由高磁导率材料和低磁导率材料制成的光栅均匀分布，当入射电磁波的电场垂直于磁导体圆柱的圆柱面(磁场方向平行于磁导体圆柱的圆柱面)时，本发明提供的谐振器能够激励出TE模式的谐振，而且，磁导体圆柱也能够摆脱金属固有的欧姆损耗问题。
附图说明
图1是本发明一实施例提供的谐振器的俯视图；
图2是本发明一实施例提供的谐振器的参数示意图；
图3是本发明一实施例提供的谐振器的色散曲线图；
图4是本发明一实施例提供的谐振器的归一化散射截面曲线图；
图5是本发明一实施例提供的谐振点对应的电场模值分布图；
图6是本发明一实施例提供的谐振点对应的电场模值分布图；
图7是本发明一实施例提供的谐振点对应的电场模值分布图；
图8是本发明一实施例提供的谐振点对应的电场模值分布图。
附图标记：
1、磁导体圆柱； 2、高磁导率材料光栅；
3、低磁导率材料光栅； 4、外部空气空间。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明的实施例提供了一种局域表面等离子体谐振器，用于激励TE模式的谐振，通过在磁导体圆柱的周向方向上均匀设置磁导率对比度较高的光栅，能够激励TE模式的谐振。
本发明实施例提供的谐振器，属于亚波长周期结构，具有电小尺寸特征，结构紧凑，易于制作，散射截面曲线的谐振峰明显，可用于微波传感器领域。
参见图1，谐振器包括磁导体圆柱1，在磁导体圆柱1沿其周向均匀分布有多个光栅(2,3)，其中，光栅(2,3)的高度与磁导体圆柱1的高度相同，每相邻两光栅(2,3)其中一个光栅由高磁导率材料构成，另一个光栅由低磁导率材料构成。
磁导体圆柱1为近似理想磁导体，相比于由金属材料代替该磁导体的材料，能够摆脱金属固有的欧姆损耗问题。由高磁导率材料和低磁导率材料制成的光栅(2,3)均匀分布于磁导体圆柱1的外侧，在入射电磁波的电场垂直于磁导体圆柱的圆柱面(磁场方向平行于磁导体圆柱的圆柱面)时，能够激励出TE模式的谐振。
磁导体圆柱1和光栅(2,3)的高度相同，磁导体圆柱1为光栅(2,3)提供边界条件，从而能够产生TE模式的谐振。当然，光栅(2,3)的高度还可以小于磁导体圆柱1的高度，在这种情况下，磁导体圆柱1也能够为光栅(2,3)提供边界条件，本领域技术人员可以在实际应用中灵活地设置光栅(2,3)的高度，只要保证光栅(2,3)的高度不高于磁导体圆柱1的高度即可。
高磁导率材料的相对磁导率为大于等于100，低磁导率材料的相对磁导率为0.99～1.10。其具体取值可以根据实际需要来进行调整。
本实施例中，高磁导率材料可以为铸铁、硅钢片、铸铁合金、锰芯铁氧体等，低磁导率材料可以为空气、贡、银、碳等。
下面结合一个具体的示例来进行说明。
参见图2，磁导体圆柱1为具有一定厚度的近似理想磁导体，其半径为r，在其外壁上周向均匀分布有磁导率高对比度的光栅(2,3)，由光栅(2,3)和磁导体圆柱1构成的圆柱的半径为R，光栅(2,3)的弧度分别为d1和d2，光栅(2,3)的高度和磁导体圆柱1的高度相同。为满足亚波长的限制条件，必须保证d1≤λ0并且d2≤λ0(λ0是入射电磁波在自由空间中的最小波长)。光栅(2,3)的总数为N＝2πR/(d1+d2)。
在一示例中，选取相对磁导率为100的材料作为高磁导率材料，相对磁导率为1的材料作为低磁导率材料，N＝120，d1＝d2，R＝3r＝10mm，为便于仿真，整个谐振器结构的厚度设置为0，相当于二维平面，选取单个周期的光栅结构，计算不同波束k对应的谐振频率，对应起来就可以得到如图3所示的谐振器的色散曲线图，图中，ωa表示渐进频率，归一化的波数ka＝ωac，式中，c为光在真空中的速度。从图中曲线可知，色散曲线位于光线的右侧，说明本结构激励出的谐振属于表面等离子体谐振。
在另一示例中，参见图4，图4是本发明一实施例提供的谐振器的归一化散射截面曲线图。图4中曲线可以通过仿真软件仿真获得，如图4所示，归一化SCS曲线上有一系列连续的峰值，图中标注了四个主要的谐振峰值(1)、(2)、(3)、(4)，对应四个谐振峰值的频率点，将谐振峰的电场模值表示在图5至图8中，图5表示谐振峰值(1)的电场模值分布，图6表示谐振峰值(2)的电场模值分布，图7表示谐振峰值(3)的电场模值分布，图8表示谐振峰值(4)的电场模值分布，由图5至图8可以看出，本示例中的谐振器依次产生了偶次模、四次模、六次模和八次模的谐振，而且电场主要集中于光栅(2,3)和空气空间4的交界面上，表明该谐振器有很好的能量局域性，说明该谐振器能够实现局域表面等离子体的TE模式谐振。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种局域表面等离子体谐振器，其特征在于：所述谐振器包括磁导体圆柱，磁导体圆柱为近似理想磁导体，在所述磁导体圆柱沿其周向均匀分布有多个光栅，所述光栅用于激励人工表面等离子体谐振；
其中，所述光栅的高度与所述磁导体圆柱的高度相同，每相邻两所述光栅其中一个所述光栅由高磁导率材料构成，另一个所述光栅由低磁导率材料构成；
所述高磁导率材料的相对磁导率为大于等于100；
所述低磁导率材料的相对磁导率为0.99～1.10。
2.根据权利要求1所述的局域表面等离子体谐振器，其特征在于，所述光栅的磁导率均匀。
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