CN110350285B - 一种人工局域表面等离激元电磁同频谐振器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人工局域表面等离激元电磁同频谐振器，包括介质层、分别位于介质层上下表面的正面金属层和背面金属层；正面金属层包括位于中心区域的金属圆盘以及第一金属螺旋结构；背面金属层包括位于中心区域的圆形槽和第二金属螺旋结构；其中，第一和第二金属螺旋结构各自包括N条螺旋形金属臂，N为大于2的整数；各螺旋形金属臂的首端均匀排布在金属圆盘或圆形槽的圆周上；第一金属螺旋结构中各螺旋形金属臂的末端与第二金属螺旋结构中各螺旋形金属臂的末端一一对应，且通过介质层中的金属通孔相连。本发明实现了电偶极子和磁偶极子的同频共振，并进一步实现了人工局域表面等离激元波的单向散射效应，且结构简单，小型化，易于制造。

Description

一种人工局域表面等离激元电磁同频谐振器

技术领域

本发明涉及一种谐振器，尤其涉及一种人工局域表面等离激元电磁同频谐振器。

背景技术

局域表面等离激元是指束缚在金属粒子表面的一种局域型电磁表面波模式，它由光和金属表面自由电子的相互作用而产生，并在金属(光学波段介电常数为负数)与介质交界面附近形成表面场强增强效应。但是，由于金属的等离子体频率一般处在紫外波段，而在低频段(微波或太赫兹波段)金属近似为理想导体。在这种情况下，金属表面则无法激发出局域表面等离激元波，从而限制了其进一步的发展。为了将局域表面等离激元推广到低频段，英国帝国理工学院的Pendry教授等人提出了人工局域表面等离激元的概念。通过在金属结构上沿波传播方向刻蚀一定周期的亚波长沟槽或孔洞结构，用以增强电磁波的渗透作用，从而降低金属的等离子频率，在微波或太赫兹波段人工模拟实现类似于光波段局域表面等离激元的现象。此后，东南大学崔铁军教授领导的研究小组采用在超薄平面金属圆盘上刻蚀亚波长周期性沟槽结构的方法在微波频段实验观察到了多次谐振的局域表面等离激元现象，证实了人工局域表面等离激元的存在，引起了研究者的极大关注。随着研究的不断深入，基于人工局域表面等离激元概念的谐振器件被相继实现，例如基于亚波长周期性金属螺旋结构用以实现与电偶极子谐振处于一个数量级的磁偶极子谐振。但是，随着应用研究的不断深入以及单向散射的需求，人们发现，现有的单一或者多层的人工局域表面等离激元结构无法实现电偶极子和磁偶极子在同一个频点发生共振，即无法在同一个频点同时激励电谐振和磁谐振，故而无法利用电偶极子和磁偶极子之间的互偶来实现电磁波的单向散射。

发明内容

发明目的：为克服现有技术中传统局域或人工局域表面等离激元谐振器无法同时同频激励电谐振和磁谐振的问题，提供一种人工局域表面等离激元电磁同频谐振器，使得电偶极子和磁偶极子在同一个频点发生共振，实现电磁谐振的同频叠加和电磁波的单向散射特性。

技术方案：本发明的人工局域表面等离激元电磁同频谐振器包括介质层、分别位于介质层上下表面的正面金属层和背面金属层；所述正面金属层包括位于中心区域的金属圆盘以及第一金属螺旋结构；所述背面金属层包括位于中心区域的圆形槽以及第二金属螺旋结构；其中，第一和第二金属螺旋结构各自包括N条螺旋形金属臂，N为大于2的整数；各螺旋形金属臂的首端均匀排布在所述金属圆盘或所述圆形槽的圆周上；第一金属螺旋结构中各螺旋形金属臂的尾端与第二金属螺旋结构中各螺旋形金属臂的尾端一一对应，且通过所述介质层中的金属通孔相连。其中，第一和第二金属螺旋结构均为亚波长周期性金属螺旋结构。

进一步地，所述正面金属层和背面金属层由经刻蚀的铜箔形成。

进一步地，第一金属螺旋结构和第二金属螺旋结构的N条螺旋形金属臂中的各金属臂在x和y轴上的坐标位置可由以下公式确定：

x(l)＝r×l×cos(l)/(2π),y(l)＝r×l×sin(l)/(2π)，0≤l≤2π

其中，x(l)和y(l)分别表示金属臂上弧度为l时对应的点的横坐标和纵坐标，r表示所述金属圆盘的半径r_m或所述圆形槽的半径r_a，螺旋金属臂以圆心坐标为起始点。

进一步地，所述第一金属螺旋结构的N条螺旋形金属臂的尾端均匀分布在半径大于所述金属圆盘半径的第一圆周上，所述第一圆周在所述介质层上表面的范围内；所述第二金属螺旋结构的N条螺旋形金属臂的尾端均匀分布在半径大于所述圆形槽半径的第二圆周上，所述第二圆周在所述介质层下表面的范围内。

进一步地，所述电磁同频谐振器的电偶极子和磁偶极子在同一个频点发生电磁共振；且所述电磁同频谐振器的电偶极子和磁偶极子同频谐振的谐振频点是通过调整以下各项中一项或多项的组合来进行改变的：所述第一金属螺旋结构和所述第二金属螺旋结构的几何尺寸、所述金属圆盘和所述圆形槽的几何尺寸、中间介质层的材料参数或几何尺寸。

工作原理：借鉴周期性亚波长螺旋金属结构激发人工局域表面等离激元的思想，通过在正面金属层刻蚀出金属圆盘和第一周期性亚波长螺旋金属结构，可以在正面金属层实现电偶极子-磁偶极子谐振顺序；通过在背面金属层刻蚀出圆形槽和第二周期性亚波长螺旋金属结构，可以在背面金属层实现电偶极子-磁偶极子谐振顺序。再用金属通孔一一对应连接上下金属螺旋臂，经过参数调节和优化，便可以改变上下金属结构产生的电偶极子和磁偶极子的谐振频率，最终实现人工局域表面等离激元电磁同频谐振器。通过调节谐振器的螺旋结构几何尺寸或改变中间介质材料参数或几何尺寸来调节电磁共振频率，从而使得谐振器可以适应不同的波段。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、结构简单，小型化且易于制造，介质表面贴敷亚波长周期性螺旋金属结构，增强了电磁波在谐振器内的渗透。

2、实现了电偶极子和磁偶极子在同一个频点发生电磁共振，利用电偶极子和磁偶极子之间的相互耦合原理，进而在同一频点处实现了人工局域表面等离激元波的单向散射效应。

3、根据人工局域表面等离激元的可调性，可以通过调整金属螺旋结构的几何尺寸或中间介质层的材料参数或几何尺寸来改变电偶极子和磁偶极子同频谐振的谐振频点，使得基于人工局域表面等离激元的电磁同频谐振器可在不同频带范围内工作，产品应用范围广泛，为等离子超材料器件的实用化提供了坚实的技术基础和良好的发展前景。

附图说明

图1是本发明一个实施例中谐振器的侧视图；

图2是本发明一个实施例中谐振器的正面和背面结构图；

图3是本发明一个实施例中谐振器的散射截面随频率变化曲线图；

图4是本发明一个实施例中谐振器在频率f＝2.62GHz处的归一化远场散射方向图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明。

如图1，本发明一个实施例的人工局域表面等离激元电磁同频谐振器包括三层结构，即厚度为h、半径为R₁的中间介质层2以及介质层2上下表面贴敷的厚度为t的正面金属层1和背面金属层3。

图2左侧和右侧分别示出了本实施例谐振器的正面结构图和背面结构图。从正面结构图和背面结构图可以看出，正面金属层1和背面金属层3均包括三个区域：区域I对应中心、区域II对应亚波长周期性金属螺旋结构、区域III对应被刻蚀掉的自由空间部分。正面金属层1的中心区域I为金属圆盘，背面金属层3的中心区域I为经刻蚀形成的圆形槽。正面金属层1和背面金属层3的区域II中的亚波长周期性金属螺旋结构相同，均包括N条螺旋形金属臂，N为大于2的整数，各金属臂的形状可按照以下公式构造获得：

x(l)＝r×l×cos(l)/(2π),y(l)＝r×l×sin(l)/(2π)，0≤l≤2π

其中，x(l)和y(l)分别表示金属臂上弧度为l时对应的点的横坐标和纵坐标，r为区域I中金属圆盘或圆形槽的半径(即r＝r_m或者r＝r_a，r_m表示金属圆盘半径，r_a表示圆形槽半径)。需注意，这里的横坐标和纵坐标不代表金属臂在正面金属层1或背面金属层2中的具体位置，仅仅是用于表征金属臂的形状。

如图2所示，各螺旋形金属臂的首端均匀排布在金属圆盘或圆形槽的圆周上，尾端也均匀排布在半径为R的圆周上，其中R₁≥R。正面金属层1的金属螺旋结构中各螺旋形金属臂的尾端与背面金属层3的金属螺旋结构中各螺旋形金属臂的尾端通过介质层2中的金属通孔4一一对应连接。在正面金属层1和背面金属层3各自的区域II部分，金属螺旋结构的占空比可用a/d来表示，a为相邻金属臂的间隔宽度，d为间隔宽度和金属臂宽度的总长度。

当y方向极化平面波沿着x方向入射到谐振器结构上，由于正面金属层1和背面金属层3结构的不同，在正面金属层1中产生电偶极子-磁偶极子谐振顺序，在背面金属层3中则产生电偶极子-磁偶极子谐振顺序。再经由介质层2中的通孔4连接和参数调节和优化，便可以改变上下金属结构产生的电偶极子和磁偶极子的谐振频率，从而该电磁波将激发出人工局域表面等离激元使得电偶极子和磁偶极子在同一个频点发生共振，进而通过电偶极子和磁偶极子之间的相互耦合实现电磁波的单向散射。

以如图1所示谐振器为例，谐振器中间介质层2采用半径R₁＝11毫米，厚度h＝4毫米的材料F4B-2，其相对介电常数为2.65，相对磁导率为1，损耗角正切为0.001。上下金属层采用厚度t＝0.018毫米的铜箔，且圆盘内半径r_m＝r_a＝1毫米，金属螺旋结构半径R＝10毫米，占空比a/d＝0.5，金属螺旋臂数量为6。

利用电磁仿真软件可得到如图3所示的谐振器散射截面曲线图，我们发现谐振器只在频率f＝2.62GHz处发生谐振，且其散射截面曲线由于电偶极子和磁偶极子在该频点同时发生谐振而达到最大值。为了确认电偶极子和磁偶极子在该频点同时发生谐振的现象，图4给出了频率f＝2.62GHz的远场散射方向图。根据图4，我们可以看出，谐振器在频率f＝2.62GHz处发生了单向散射特性，该现象只有当电偶极子和磁偶极子在同一频点共振才能产生，因此实现了基于人工局域表面等离激元的电磁同频谐振器。

需要说明的是，以上仅仅是本发明的一个示例性实施例，上述具体参数的设定并非唯一的。事实上，在其他实施例中，可以通过实际需要，对正面金属层1和背面金属层3中亚波长周期性金属螺旋结构的几何尺寸(如占空比、金属臂长度和厚度等)、金属圆盘和圆形槽的几何尺寸、或中间介质层2的材料参数或几何尺寸进行调节，从而改变谐振器的电磁同频谐振点。

在其他实施例中，介质层2的形状也并不局限于圆柱形，而是可以为方形、矩形或其他多边形，但需要保证正面金属层1和背面金属层3中区域II的亚波长周期性金属螺旋结构尾端所在的圆周完全位于介质层2上下表面的范围内。

Claims (7)

1.一种人工局域表面等离激元电磁同频谐振器，其特征在于：包括介质层(2)、分别位于介质层(2)上下表面的正面金属层(1)和背面金属层(3)；

所述正面金属层(1)包括位于中心区域的金属圆盘以及第一金属螺旋结构；

所述背面金属层(3)包括位于中心区域的圆形槽以及第二金属螺旋结构；

其中，第一和第二金属螺旋结构各自包括N条螺旋形金属臂，N为大于2的整数；各螺旋形金属臂的首端均匀排布在所述金属圆盘或所述圆形槽的圆周上；第一金属螺旋结构中各螺旋形金属臂的尾端与第二金属螺旋结构中各螺旋形金属臂的尾端一一对应，且通过所述介质层(2)中的金属通孔(4)相连。

2.根据权利要求1所述的一种人工局域表面等离激元电磁同频谐振器，其特征在于，第一金属螺旋结构和第二金属螺旋结构的N条螺旋形金属臂中的各金属臂的形状由以下公式确定：

x(l)＝r×l×cos(l)/(2π),y(l)＝r×l×sin(l)/(2π)，0≤l≤2π

其中，x(l)和y(l)分别表示金属臂上弧度为l时对应的点的横坐标和纵坐标，r表示所述金属圆盘的半径r_m或所述圆形槽的半径r_a，螺旋金属臂以圆心坐标为起始点。

3.根据权利要求1所述的一种人工局域表面等离激元电磁同频谐振器，其特征在于，所述第一金属螺旋结构的N条螺旋形金属臂的尾端均匀分布在半径大于所述金属圆盘半径的第一圆周上，所述第一圆周在所述介质层(2)上表面的范围内；所述第二金属螺旋结构的N条螺旋形金属臂的尾端均匀分布在半径大于所述圆形槽半径的第二圆周上，所述第二圆周在所述介质层(2)下表面的范围内。

4.根据权利要求1所述的一种人工局域表面等离激元电磁同频谐振器，其特征在于，所述正面金属层(1)和背面金属层(3)由经刻蚀的铜箔形成。

5.根据权利要求1所述的一种人工局域表面等离激元电磁同频谐振器，其特征在于，所述电磁同频谐振器的电偶极子和磁偶极子在同一个频点发生电磁谐振。

6.根据权利要求5所述的一种人工局域表面等离激元电磁同频谐振器，其特征在于，所述电磁同频谐振器的电偶极子和磁偶极子同频谐振的谐振频点是通过调整以下各项中一项或多项的组合来进行改变的：所述第一金属螺旋结构和所述第二金属螺旋结构的几何尺寸、所述金属圆盘和所述圆形槽的几何尺寸、中间介质层(2)的材料参数或几何尺寸。

7.根据权利要求1所述的一种人工局域表面等离激元电磁同频谐振器，其特征在于，第一和第二金属螺旋结构均为亚波长周期性金属螺旋结构。

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