CN109755713B - 基于等效局域型表面等离激元的介质谐振器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于等效局域型表面等离激元的介质谐振器及其工作方法，介质谐振器包括：介质圆柱、金属贴片、金属线，金属线沿介质圆柱侧面周期排列，金属贴片贴在介质圆柱上下底面并与金属线相连。该介质谐振器的主模是等效表面等离激元的电偶极子模式，当电磁波以某个频率入射到谐振器上时，会在金属线的诱导下在介质柱和外部空气的交接面上产生等效局域型表面等离子激元，从而产生等效局域型表面等离子共振。本发明介质谐振器的主模谐振频率随谐振器的高度和介质的介电常数变化而变化，但对谐振器的直径变化不敏感。因此，本发明介质谐振器体积上可以比传统介质谐振器小无数倍。

Description

基于等效局域型表面等离激元的介质谐振器及其工作方法

技术领域

本发明涉及基于等效局域型表面等离激元的介质谐振器及其工作方法，属于谐振器技术领域。

背景技术

表面等离激元有两种主要的类型，一类是在平面交界面上传播的表面等离激元(Surface Plasmon Polaritons，SPPs)，另一类是纳米粒子表面上的局域表面等离激元(Local Surface Plasmons，LSPs)。SPPs是指入射光子和表面等离子体发生耦合产生的一种沿着导体和介质交界面方向传导的电磁波，它仅仅在介电常数的实部正负的介质交界面上传播，LSPs是入射光子和金属纳米颗粒内自由电子相互耦合形成的混合激发态。SPPs和LSPs都具有场增强的效果和电磁波的约束效应，尺度基本都在纳米量级，主要作用于贵金属(金、银等)和介质(可以是空气)的交界面。由于贵金属的等离子体频率一般都在紫外频率以上，在低频段(太赫兹波和微波)，贵金属近似为理想电导体(Perfect ElectricConductor，PEC)，电磁波在金属内部是衰减的，难以渗透到金属的内部，电磁场在贵金属表面的约束性将会变得非常差，不支持表面等离子体波，因此很难直接在金属和介质表面直接激励出传播型和局域型的表面等离激元。

Spoof LSPs的概念最早在2012年由F.J.García-Vidal等人提出，具体实现方法是通过在金属闭合表面刻蚀周期性的凹槽，增加了电磁波在金属表面的渗透作用，产生了类似于光波段的局域表面等离子共振。这种方法可以在微波和太赫兹波段自由的激发和产生人工局域表面等离激元，实现场约束和场增强现象。2013年东南大学的崔铁军领导的课题组在此理论基础上提出一种超薄的Spoof LSPs模型，首次通过实验验证了这种结构在微波频段存在着多极谐振现象，其谐振特性和几何尺寸、基板的厚度、周围的介质特性相关。2014年，Garcia-Vidal、Pendry和崔铁军等人发现了带有凹槽的金属表面同样存在着磁性的局域表面等离激元(Magnetic Localized Surface Plasmons，MLSPs)，消光截面中同时分布有磁谐振和电谐振，拓宽了Spoof LSPs的研究范围。之后科学家们研究了Spoof LSPs在高次模式的电磁性质和Fano谐振特性，并通过实验进行了论证。上海大学的周永金课题组研究微带线激励出带有凹槽的环形结构的Spoof LSPs谐振模式，在带有凹槽的金属-介质-金属环超薄谐振器上实现了增强的Spoof LSPs谐振。南洋理工大学的张柏乐课题组对研究了螺旋结构及互补结构Spoof LSPs的电谐振和磁谐振问题，讨论了高次模式谐振、垂直入射、电磁同频等情况。

但是现有技术中谐振器体积偏大，不利于介质谐振器滤波器、介质谐振器天线、介质谐振器振荡器等微波器件的小型化设计。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供基于等效局域型表面等离激元的介质谐振器及其工作方法，解决现有技术中谐振器体积偏大的问题，实现介质谐振器的小型化和基于介质谐振器的其他微波器件小型化的目的。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

基于等效局域型表面等离激元的介质谐振器，包括：介质圆柱、两个金属贴片、若干条金属线，所述金属线的长度等于介质圆柱的高度，且金属线沿介质圆柱侧面轴向周期性排布，金属贴片的大小等于介质圆柱上底面或下底面的大小，金属贴片贴在介质圆柱的上底面和下底面，金属线的两端分别与介质圆柱上底面的金属贴片、介质圆柱下底面的金属贴片相连。

作为本发明介质谐振器的一种优选方案，所述介质圆柱所用的材料为陶瓷材料。

作为本发明介质谐振器的一种优选方案，所述介质圆柱的高度范围为10mm-20mm。

作为本发明介质谐振器的一种优选方案，所述介质圆柱上底面或下底面的直径范围为2mm-12mm。

基于等效局域型表面等离激元的介质谐振器的工作方法，根据如上所述基于等效局域型表面等离激元的介质谐振器实现，当电磁波以某个频率入射到介质谐振器上时，会在金属线的诱导下在介质圆柱和外部空气的交接面上产生等效局域型表面等离子激元，从而产生等效局域型表面等离子共振。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明的等效局域型表面等离激元介质谐振器，可以实现多极谐振。

2、本发明提出的等效局域型表面等离激元介质谐振器的谐振频率对直径变化不敏感，因此，只要有相关的制作工艺，体积可以做到无限小，可以广泛用于介质谐振器滤波器、介质谐振器天线、介质谐振器振荡器等微波器件的小型化设计中。

3、本发明可以显著降低谐振器的体积并且保证Q值在可用范围内，可以通过调节等效局域型表面等离激元介质谐振器的高度和介质的介电常数来调节谐振频率，为微波段的谐振器结构提供了一个新的思路。

附图说明

图1是本发明基于等效局域型表面等离激元的介质谐振器整体结构示意图。

图2是介质谐振器的谐振频率及对应的场分布图。

图3是介质谐振器模式一圆切面的电场分布图。

图4是介质谐振器模式一矩形切面的电场分布图。

图5是介质谐振器模式一圆切面的磁场分布图。

图6是介质谐振器模式一矩形切面的磁场分布图。

图7是介质谐振器直径为12mm，谐振频率随高度变化曲线图。

图8是介质谐振器高度为10mm，谐振频率随直径变化曲线图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

最近的一些研究工作揭示了等效局域型表面等离激元(Effective LocalizedSurface Plasmon Polaritons，ELSPs)可以更有效地在低频段模拟光频段的真实LSPs。通过在介质圆柱侧面加入周期性金属线，使介质圆柱与空气界面能支持类似于光频段金属在光波照射下产生的LSPs模式，从而将LSPs的优异的高度场局域化特性和多极谐振特性能延续到微波和太赫兹频段。我们可以利用ELSPs的多极谐振特性，设计主模谐振频率与介质柱直径无关的小型化介质谐振器。

如图1所示，本发明的一种基于等效局域型表面等离激元的介质谐振器，包括：介质圆柱、金属贴片、金属线，金属线周期排列在介质圆柱侧面，金属贴片贴在介质圆柱上下底面并与金属线相连。

介质圆柱直径为d，高度为h，采用高介电常数ε_r低损耗的陶瓷材料，具备很高的Q值。

金属贴片直径为d，厚度为无限薄，完全覆盖介质圆柱上、下底面。

金属线长度为h，以θ为周期沿介质圆柱侧面轴向排列，并与上、下底面的金属贴片相连接。

利用电磁仿真软件CST的本征模求解器对图1模型进行仿真，仿真时在谐振器四周设置一定大小的PEC腔体。仿真结果如图2所示，6个模式分别是一对偶极子模式、一对四极子模式和一对六极子模式。每一对多极子都是对称的，且谐振频率相同。图3、图4分别为模式一圆切面、矩形切面的电场分布，可以看出，电场能量主要集中在谐振器内部，在谐振器内部呈现出中间强两头弱的现象。图5、图6分别为模式一圆切面、矩形切面的磁场分布，可以看出，磁场能量主要集中在谐振器内部，在谐振器内部呈现出中间弱两头强的现象。

为了分析谐振器谐振频率与直径和高度的关系，我们对定直径和定高度两种模型进行了仿真。仿真结果如图7、图8所示。

图7为谐振器直径d＝12mm，谐振频率随高度变化曲线，图8为谐振器高度h＝10mm，谐振频率随直径变化曲线。谐振器直径不变，高度由10mm增加到20mm，谐振频率从2.5GHz降到了1.3GHz。谐振器高度不变，直径由12mm减小到2mm，谐振频率仅从2.5GHz增加到2.9GHz。可以看出，基于等效局域型表面等离激元的介质谐振器对高度变化敏感，对直径变化不敏感。

一种基于等效局域型表面等离激元的介质谐振器的工作方法，包括步骤如下：

当电磁波以某个频率打到谐振器上时，会在金属线的作用下在介质圆柱和外部空气相交的面上产生等效局域型表面等离子激元，从而产生等效局域型表面等离子共振。通过改变谐振器的高度和介质介电常数，可以任意调节主模谐振频率的大小。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.基于等效局域型表面等离激元的介质谐振器，其特征在于，包括：介质圆柱、两个金属贴片、若干条金属线，所述金属线的长度等于介质圆柱的高度，且金属线沿介质圆柱侧面轴向周期性排布，金属贴片的大小等于介质圆柱上底面或下底面的大小，金属贴片贴在介质圆柱的上底面和下底面，金属线的两端分别与介质圆柱上底面的金属贴片、介质圆柱下底面的金属贴片相连。

2.根据权利要求1所述基于等效局域型表面等离激元的介质谐振器，其特征在于，所述介质圆柱所用的材料为陶瓷材料。

3.根据权利要求1所述基于等效局域型表面等离激元的介质谐振器，其特征在于，所述介质圆柱的高度范围为10mm-20mm。

4.根据权利要求1所述基于等效局域型表面等离激元的介质谐振器，其特征在于，所述介质圆柱上底面或下底面的直径范围为2mm-12mm。

5.基于等效局域型表面等离激元的介质谐振器的工作方法，根据权利要求1所述基于等效局域型表面等离激元的介质谐振器实现，其特征在于，当电磁波以微波和太赫兹频段中的频率入射到介质谐振器上时，会在金属线的诱导下在介质圆柱和外部空气的交接面上产生等效局域型表面等离子激元，从而产生等效局域型表面等离子共振。