CN109509954A - 一种基于费马旋臂结构的人工表面等离激元波导 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于费马旋臂结构的人工表面等离激元波导，解决的是电模式表面等离激元波导各方向强度分布不均匀的技术问题，通过采用包括介质基板，以及设置在介质基板单面或对称面的金属费马旋臂结构，可以将表面等离激元束缚在金属费马旋臂结构单元周围，实现人工表面磁等离激元的高效传输。所述金属费马旋臂结构的厚度小于10‑4倍工作波长的技术方案，较好的解决了该问题，并应用于等离激元波导中。
Description
技术领域
本发明涉及等离激元波导领域，具体涉及一种基于费马旋臂结构的人工表面等离激元波导。
背景技术
表面等离子激元是金属表面自由电子与光子相互作用形成的一种特殊电磁波。表面等离子激元及其结构波导由于其可在亚波长范围内实现光场的约束与传播，作为一种可突破衍射极限，实现高密度光子集成和互联的有效可行的手段被世界各地的学者广泛研究。然而表面等离激元通常仅在接近其导体特征等离子频率时才能够表现出较强的亚波长局域场束缚性能,大多数金属的特征等离子频率却位于可见光、紫外线频段,导致使用金属线、金属板等常规的表面等离激元波导在微波、毫米波及太赫兹等较低频段的场束缚性能差。因此,为了在微波与太赫兹等较低频段获得良好的局域场束缚性能,人们提出了人工表面等离激元。而现有的人工表面等离激元波导大都基于电谐振模式，电谐振模式所产生的偶极子各向同性性能差，存在空间分布不均匀的局限性。本发明提供了一种基于费马旋臂结构的磁谐振表面波波导，解决了上述问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术中存在的电谐振模式表面等离激元各方向强度分布不均匀问题。提供一种新的基于费马旋臂结构的磁模式人工表面等离激元波导，该基于费马旋臂结构的人工表面等离激元波导具有结构简单、各方向强度分布均匀的特点。
为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：
一种基于费马旋臂结构的人工表面等离激元波导，所述人工表面等离激元波导包括介质基板，以及设置在介质基板单面或对称面的金属费马旋臂结构；所述金属费马旋臂结构的厚度小于10-4倍工作波长。
本发明的工作原理：现有的电磁谐振等离激元波导，由产生偶极子或者多极子谐振实现，产生极子谐振的表面波在利用波导传输时并不利于任意角度的弯曲扭转，各向同性性能差。而磁谐振表面波各向同性优于电谐振表面波。本发明的金属费马旋臂结构的厚度为10-4倍量级，远远小于工作波长；费马旋臂结构可引导表面涡旋电流形成磁谐振，可以将表面波束缚在金属费马旋臂结构单元周围，实现表面波的高效传输，可通过结构尺寸的缩放，实现毫米波、微波和太赫兹频段的表面电磁波的传输。
上述方案中，为优化，进一步地，所述金属费马旋臂结构包括周期排列的金属费马旋臂单元。
进一步地，所述金属费马旋臂单元包括单臂螺旋条或双臂螺旋条或四臂螺旋条；相邻的金属费马旋臂单元通过螺旋条带臂连接。
进一步地，所述金属费马旋臂单元的半径为亚波长尺度
进一步地，所述金属费马旋臂单元由良导体制成。
进一步地，所述介质基板为柔性介质基板。可以任意角度弯折、扭曲、环绕甚至叠层，在不平坦的表面上实现表面波的传输。
本发明的金属费马旋臂结构可引导表面电流形成涡旋磁谐振，超薄费马旋臂结构附近磁场方向垂直于表面波的传播方向。基于费马旋臂结构的磁谐振表面波波导可在PCB板、聚酰亚胺基板、硅基板或者石英基板上加工。在金属费马旋臂结构单元组成的条带表面支持表面波的传输。低频段可以在PCB板上利用普通的印刷电路板技术进行加工，高频段的可以利用刻蚀或光刻技术在硅基板、石英基板等基板上加工而成。
本发明的有益效果：
(1)本发明采用金属费马旋臂结构，费马旋臂结构可引导表面涡旋电流形成磁谐振，有利于表面波的激发并形成磁局域表面等离子激元。
(2)本发明由周期性排列的金属费马旋臂结构单元构成磁谐振表面波波导，金属费马旋臂结构附近磁场方向垂直于表面波的传播方向，可以将表面波传播束缚在金属费马旋臂结构单元周围，实现表面波的高效传输。
(3)本发明基于费马旋臂结构的磁谐振表面波波导相比于电谐振的表面波产生偶极子或者多极子的情形，磁谐振表面波各向同性，更有利于任意角度的弯曲扭转。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1，实施例1中的结构组成示意图。
图2，费马旋臂结构单元俯视示意图。
图3，实施例在1.45GHz时的表面电流分布图。
图4，实施例在1.45GHz时的磁场分布图。
图5，双面磁谐振表面波波导示意图。
图中：1-介质基板，2-金属费马旋臂结构单元，3-反面金属费马旋臂结构单元。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提供一种基于费马旋臂结构的人工表面等离激元波导，所述人工表面等离激元波导包括介质基板1，以及设置在介质基板1单侧的金属费马旋臂结构；所述金属费马旋臂结构的厚度小于10-4倍工作波长。本实施例的工作频率为1.45GHz，工作波长为0.15m，金属费马旋臂结构的厚度为0.018mm。
如图2，金属费马旋臂结构单元2采用费马四旋臂条带构成的示意图。
基于费马旋臂结构的磁谐振表面波波导由周期性排列的金属费马旋臂结构单元2构成。金属费马旋臂结构单元2的金属采用金、银、铜等良导体。
介质基板1可采用挠性或者非挠性低耗介质板材，介质基板1可选用PCB板、硅基板、石英基板、聚酰亚胺基板中的一种或者多种。
本实施例选择的介质基板1的材料为F4B，介电常数为2.6；金属费马旋臂结构单元2结构的材料选用铜。所述周期性排列的金属费马旋臂结构单元2之间通过其中一个螺旋条带臂进行连接，单元的直径为R。
费马旋臂结构的中心圆半径和费马旋臂的宽度为w，每个旋臂的间隔为g，本实施例选取R＝25mm、w＝0.5mm，每个螺旋臂圈数为1.5；所述磁谐振表面波波导的传输性能及场束缚性能由设计的超薄金属费马旋臂的尺寸和排列方式决定。
利用电磁仿真软件得到所述结构在1.45GHz时的表面电流分布如图3所示，每一个金属费马旋臂结构单元2形成一个涡旋电流；仿真得到1.45GHz时的磁场分布如图4所示。
可以明显观察到波导表面附件的磁场方向垂直于传播方向，且紧紧地围绕着金属费马旋臂结构的周围，证明本实施例的结构对磁谐振表面波具有很好的束缚和传导性能。
将实施例中周期性排列的金属费马旋臂结构复制平移到介质基板1的另一侧，得到如图5所示的双侧基于费马旋臂结构的磁谐振表面波波导，另一侧的为反面金属费马旋臂结构单元3。
本实施例采用周期性排列的金属费马旋臂结构单元构成磁谐振表面波波导，金属费马旋臂结构单元的半径为亚波长尺度，且厚度远远小于工作波长，费马旋臂结构可引导表面电流形成涡旋磁谐振，金属费马旋臂结构附近磁场方向垂直于表面波的传播方向，可以将表面波传播束缚在金属费马旋臂结构单元周围，实现表面波的高效传输。本实施例采用金属费马旋臂结构，有利于表面波的激发并形成磁谐振。本实施例的基于费马旋臂结构的磁谐振表面波波导主要利用表面波的磁谐振进行表面波的传输，相比于电谐振的表面波产生偶极子或者多极子的情形，磁谐振表面波各向同性，更有利于任意角度的弯曲扭转。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (5)
1.一种基于费马旋臂结构的人工表面等离激元波导，其特征在于：所述人工表面等离激元波导包括介质基板，以及设置在介质基板单面或对称面的金属费马旋臂结构；所述金属费马旋臂结构的厚度小于10-4倍工作波长；所述金属费马旋臂结构包括串联的周期排列的金属费马旋臂单元。
2.根据权利要求1所述的基于费马旋臂结构的人工表面等离激元波导，其特征在于：所述金属费马旋臂单元包括单臂螺旋条或双臂螺旋条或四臂螺旋条；相邻的金属费马旋臂单元通过螺旋条带臂连接串联。
3.根据权利要求2所述的基于费马旋臂结构的人工表面等离激元波导，其特征在于：所述金属费马旋臂单元的半径为亚波长尺度。
4.根据权利要求2或3所述的基于费马旋臂结构的人工表面等离激元波导，其特征在于：所述金属费马旋臂单元由良导体制成。
5.根据权利要求4所述的基于费马旋臂结构的人工表面等离激元波导，其特征在于：所述介质基板为柔性介质基板。
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