CN110600971A - 一种产生的表面声子激元切伦科夫辐射的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种产生的表面声子激元切伦科夫辐射的方法，先设定带电粒子在氮化硼薄膜上产生切伦科夫辐射的目标传输角度θ；根据目标传输角度设定氮化硼薄膜的厚度和带电粒子在氮化硼薄膜上的速度；将带电粒子进行加速，使得带电粒子以速度平行于厚度的氮化硼薄膜运动，以产生传输角度为θ的切伦科夫辐射，并且，本发明还可通过调整氮化硼薄膜的厚度和带电粒子在氮化硼薄膜上的速度，控制切伦科夫辐射的正反，以实现切伦科夫辐射方向的切换。

Description

一种产生的表面声子激元切伦科夫辐射的方法和系统

技术领域

本申请涉及集成光电子领域，尤其涉及一种产生的表面声子激元切伦科夫辐射的方法和系统。

背景技术

切伦科夫辐射是指当带电粒子的相速度大于光在介质中的传输速度的时候产生的锥形波前的电磁辐射。它是以前苏联科学家P.A.Cherenkov命名的，因为他首次在实验上观察到这个现象而被授予了诺贝尔物理学奖。切伦科夫效应的研究在传统介质中比较集中，并在高能粒子物理，生物标记探测，航空探测等领域有着广泛的应用。近年来，由于纳米技术和纳米光子学领域的快速发展，切伦科夫效应在超材料和等离子激元领域得到了广泛的关注。人工左手材料反常切伦科夫辐射在微波波段被观察到。集成低阈值的切伦科夫辐射光源被提出和制备，对于片上研究飞行电子与纳米结构相互作用等基础研究和开发高性能集成电子光源等应用研究有非常好的推动作用。片上切伦科夫辐射的电磁波主动调控方面非常重要，特别是片上光信号产生与处理，目前这方面还很少被报道和研究。

发明内容

本申请提供了一种产生的表面声子激元切伦科夫辐射的方法和系统，其可以通过对氮化硼薄膜的厚度的选择以及在氮化硼薄膜上电子的速度设置，使片上切伦科夫辐射的传输角度得以调控。

第一方面，本申请提供了一种产生的表面声子激元切伦科夫辐射的方法：设定带电粒子在氮化硼薄膜上产生切伦科夫辐射的目标传输角度θ；

根据目标传输角度设定氮化硼薄膜的厚度d和带电粒子在氮化硼薄膜上的速度ve，其中，所述氮化硼薄膜的厚度d和带电粒子在氮化硼薄膜上的速度ve满足：(1)ve＞vpps，其中，vpps为表面声子激元的相速度；(2)sinθ＝vpps/ve；其中，vpps的大小的调整是通过选择氮化硼薄膜的厚度d的大小来调整的；

将带电粒子进行加速，使得带电粒子以速度ve平行于厚度d的氮化硼薄膜运动，以产生传输角度为θ的切伦科夫辐射。

优选的，在加速带电粒子前，还包括调控切伦科夫辐射的正反方向的步骤，其包括：通过选择氮化硼薄膜的厚度d和带电粒子速度ve，以控制切伦科夫辐射的正反向。

优选的，通过选择氮化硼薄膜的厚度d和带电粒子速度ve，以控制切伦科夫辐射的正反向，包括：

通过选择不同的氮化硼薄膜的厚度d，以调整氮化硼薄膜的表面声子波波长；

设置带电粒子速度ve，以确定带电粒子的色散曲线和氮化硼薄膜的薄膜色散曲线在波数正方向上第一相交区域和第二相交区域的范围；同时，

选择的所述氮化硼薄膜的厚度d，使表面声子波的波数落在预先指定的第一相交区域或第二相交区域内。

优选的，氮化硼薄膜的厚度d与vpps的关系为：

vpps＝2*pi*c/(k*λ),其中k是表面声子波激元的波士，c为真空光速，其中ω是表面声子激元的频率，d是氮化硼薄膜的厚度，ε_⊥和ε_||分别是氮化硼薄膜的平面外和平面内方向的介电常数，l是整数，其表示高阶的声子导波模式，pi为圆周率，λ为表面声子波波长，i是虚数的单位。

优选的，所述氮化硼薄膜为六方氮化硼薄膜，所述六方氮化硼薄膜通过将铜基六方氮化硼薄膜上的六方氮化硼转移到介质衬底上制得。

第二方面，本申请提供了一种产生的表面声子激元切伦科夫辐射的系统，其用于使带电粒子在氮化硼薄膜上产生切伦科夫辐射的目标传输角度达到设定值θ，包括：

氮化硼薄膜，其具有选定的厚度d；

粒子加速器，其用于将带电粒子加速至设定速度ve，并使带电粒子平行氮化硼薄膜以ve运动；同时，

所述氮化硼薄膜的厚度d和带电粒子在氮化硼薄膜上的速度ve满足：(1)ve＞vpps，其中，vpps为表面声子激元的相速度；(2)sinθ＝vpps/ve；其中，vpps的大小的调整是通过选择氮化硼薄膜的厚度d的大小来调整的。

优选的，所述系统中氮化硼薄膜的厚度d和带电粒子在氮化硼薄膜上的速度ve被配置成：使切伦科夫辐射的方向正反符合预设方向。

优选的，所述氮化硼薄膜的厚度d和设置带电粒子速度ve被配置为：使带电粒子的色散曲线和氮化硼薄膜的薄膜色散曲线在波数正方向上形成第一相交区域和第二相交区域；并使表面声子波的波数落在预先指定的第一相交区域或第二相交区域内。

优选的，氮化硼薄膜的厚度d与vpps的关系为：

vpps＝2*pi*c/(k*λ),其中k是表面声子波激元的波士，c为真空光速，其中ω是表面声子激元的频率，d是氮化硼薄膜的厚度，ε_⊥和ε_||分别是氮化硼薄膜的平面外和平面内方向的介电常数，l是整数，其表示高阶的声子导波模式，pi是圆周率，λ为表面声子波波长，i是虚数的单位。

优选的，所述氮化硼薄膜为六方氮化硼，所述ve＝0,02c、0.04c或者0.06c。

本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：

本申请实施例提供的该方法，根据目标传输角度设定氮化硼薄膜的厚度d和带电粒子在氮化硼薄膜上的速度ve，再完成设定后，将带电粒子进行加速，使得带电粒子以速度ve平行于厚度d的氮化硼薄膜运动，以产生传输角度为θ的切伦科夫辐射。进一步的，通过调整氮化硼薄膜的厚度d和带电粒子在氮化硼薄膜上的速度ve，控制切伦科夫辐射的正反，以实现切伦科夫辐射方向的切换。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种产生的表面声子激元切伦科夫辐射的方法流程图；

图2为本申请实施例提供的六方氮化硼(h-BN)薄膜色散曲线图；

图3为本申请实施例提供的切伦科夫辐射系统结构示意图；

图4为本申请实施例提供的典型的表面声子激元切伦科夫正向辐射图案；

图5为本申请实施例提供的典型的表面声子激元反向切伦科夫辐射图案。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

图1为本申请实施例提供的一种产生的表面声子激元切伦科夫辐射的方法的流程图，其包括步骤101-103，其具体如下：

101、设定带电粒子02在氮化硼薄膜03上产生切伦科夫辐射的目标传输角度θ。

应理解，设定目标传输角度θ可以是在软件中输入目标传输角度θ，也可以是人工设定后作为后续计算的目标值，其计算的过程可以通过计算机完成，即通过CPU计算完成，也可以人工完成。

102、根据目标传输角度设定氮化硼薄膜03的厚度d和带电粒子02在氮化硼薄膜03上的速度v_e，其中，所述氮化硼薄膜03的厚度d和带电粒子02在氮化硼薄膜03上的速度v_e满足：(1)v_e＞v_pps，其中，v_pps为表面声子激元的相速度；(2)sinθ＝v_pps/v_e；其中，v_pps的大小的调整是通过选择氮化硼薄膜03的厚度d的大小来调整的。

其中，氮化硼薄膜03的厚度d与v_pps的关系为：v_pps＝2*pi*c/(k*λ),其中k是表面声子波激元的波士，c为真空光速，其中ω是表面声子激元的频率，d是氮化硼薄膜03的厚度，ε_⊥和ε_||分别是氮化硼薄膜03的平面外和平面内方向的介电常数，l是整数，其表示高阶的声子导波模式，pi是圆周率，λ为表面声子波波长，i是虚数的单位。因此，通过改变氮化硼薄膜03的厚度d即可调整表面声波激元的波士k。从而达到调整表面声子激元的相速度v_pps的目的。

应理解，使v_e＞v_pps是为了保证能够产生切伦科夫辐射，但是，需要明确的是，现有技术是通过调整v_e来确保产生切伦科夫辐射，在本实施例中，则是通过选用不同厚度的氮化硼的厚度d来调整v_pps的值来确保带电粒子02能够在氮化硼薄膜03上形成切伦科夫辐射。

同时，基于传输角度、表面声子激元的相速度v_pps和带电粒子02在氮化硼薄膜03上的速度v_e之间满足sinθ＝v_pps/v_e这一关系。因此，在选择了氮化硼薄膜03的厚度d后，只需调整带电粒子02在氮化硼薄膜03上的速度v_e即可调整最终的传输角度，使其等于或趋近于设定的目标传输角度θ。

103、在完成了氮化硼薄膜03的厚度d和带电粒子02在氮化硼薄膜03上的速度v_e的设定后，即可按步骤102中得到的值使用相应厚度d的氮化硼薄膜03，并将带电粒子02进行加速，使得带电粒子02以速度v_e平行于厚度d的氮化硼薄膜03运动，以产生传输角度为θ的切伦科夫辐射。

作为一个可选的实施方式，氮化硼薄膜03为六方氮化硼薄膜03。请参考图2，图2是六方氮化硼(h-BN)薄膜色散曲线图。在加速带电粒子02前，还包括调控切伦科夫辐射的正反方向的步骤，其包括：

通过选择氮化硼薄膜03的厚度d和带电粒子02速度v_e，以控制切伦科夫辐射的正反向。

具体的，先预设切伦科夫辐射的方向。

再通过选择不同的氮化硼薄膜03的厚度d，以调整氮化硼薄膜03的表面声子波波长，也就是说，通过选择氮化硼薄膜03的厚度d来控制表面声子波的波数。当然，不同的氮化硼薄膜03的厚度d也会有不同的色散曲线。

然后再设置带电粒子02速度v_e，以确定带电粒子02的色散曲线和氮化硼薄膜03的薄膜色散曲线在波数正方向上第一相交区域和第二相交区域的范围；同时，

选择的所述氮化硼薄膜03的厚度d，使表面声子波的波数落在预先指定的第一相交区域或第二相交区域内。其中在波数正方向上第一相交区域为反向区域，第二相交区域则为正向区域。请参数图4和图5，图4为典型的表面声子激元切伦科夫正向辐射图案，图5则为典型的表面声子激元反向切伦科夫辐射图案。当表面声子波的波数落在第二相交区域时，其激发出如图4所示的切伦科夫正向辐射，当表面声子波的波数落在第一相交区域时，其激发出如图5所示的切伦科夫反向辐射。

应理解，各种厚度的氮化硼薄膜03对应的色散曲线和表面声子波波长都是预知的。各个带电粒子02速度v_e的色散曲线也是预知的。因此，在先定了切伦科夫辐射的方向后，可以通过选择恰当的氮化硼薄膜03的厚度d和带电粒子02速度v_e使表面声子波的波数落在指定的第一相交区域或第二相交区域。

并且，请再次参考图4，其给出的是在带电粒子速度为0.02c，0.04c，和0.06c时的切伦科夫辐射光谱，c为光在真空中的速度，可以看到当电子速度越快时，辐射光谱越宽，同时这里辐射光谱的峰值波长由图2中色散曲线的交点位置决定的，可以通过电子的速度和氮化硼薄膜的厚度来进行调控。

其中，可选的，所述氮化硼薄膜03为六方氮化硼薄膜03，所述六方氮化硼薄膜03通过将铜基六方氮化硼薄膜上的六方氮化硼转移到介质衬底04上制得，介质衬底04可以是硅片或石英玻璃等。

示例性的，如可以将铜基六方氮化硼薄膜03通过化学方法取消铜衬底转移到介质衬底04表面上。也可以采用机械剥离的方法，用胶带将六方氮化硼从氮化硼晶体中剥离，然后转移到介质衬底04上。

另一方面，请参考图3，图3为本发明实施例中的切伦科夫辐射系统结构示意图。

本发明实施例还提供一种产生的表面声子激元切伦科夫辐射的系统，其用于使带电粒子02在氮化硼薄膜03上产生切伦科夫辐射的目标传输角度达到设定值θ，其包括：

氮化硼薄膜03，其具有选定的厚度d；具体的，氮化硼薄膜03为六方氮化硼，其设置在一层介质衬底04上。

粒子加速器01，其用于将带电粒子02加速至设定速度v_e，并使带电粒子02平行氮化硼薄膜03以v_e运动；同时，

所述氮化硼薄膜03的厚度d和带电粒子02在氮化硼薄膜03上的速度v_e满足：(1)v_e＞v_pps，其中，v_pps为表面声子激元的相速度；(2)sinθ＝v_pps/v_e；其中，v_pps的大小的调整是通过选择氮化硼薄膜03的厚度d的大小来调整的。

作为可选的实施方式，所述系统中氮化硼薄膜03的厚度d和带电粒子02在氮化硼薄膜03上的速度v_e被配置成：使切伦科夫辐射的方向正反符合预设方向。

并且，所述氮化硼薄膜03的厚度d和设置带电粒子02速度v_e被配置为：使带电粒子02的色散曲线和氮化硼薄膜03的薄膜色散曲线在波数正方向上形成第一相交区域和第二相交区域；并使表面声子波的波数落在预先指定的第一相交区域或第二相交区域内。

进一步的，如前所述，氮化硼薄膜03的厚度d与v_pps的关系为：

v_pps＝2*pi*c/(k*λ),其中k是表面声子波激元的波士，c为真空光速，其中ω是表面声子激元的频率，d是氮化硼薄膜03的厚度，ε_⊥和ε_||分别是氮化硼薄膜03的平面外和平面内方向的介电常数，l是整数，其表示高阶的声子导波模式，pi是圆周率，λ为表面声子波波长，i是虚数的单位。

并且所述氮化硼薄膜03为六方氮化硼薄膜03，所述ve＝0.02c、0.04c或者0.06c。六方氮化硼薄膜03通过将铜基六方氮化硼薄膜上的六方氮化硼转移到介质衬底04上制得，介质衬底04可以是硅片或石英玻璃等。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种产生的表面声子激元切伦科夫辐射的方法，其特征在于：

设定带电粒子在氮化硼薄膜上产生切伦科夫辐射的目标传输角度θ；

根据目标传输角度设定氮化硼薄膜的厚度d和带电粒子在氮化硼薄膜上的速度v_e，其中，所述氮化硼薄膜的厚度d和带电粒子在氮化硼薄膜上的速度v_e满足：(1)v_e＞v_pps，其中，v_pps为表面声子激元的相速度；(2)sinθ＝v_pps/v_e；其中，v_pps的大小的调整是通过选择氮化硼薄膜的厚度d的大小来调整的；

将带电粒子进行加速，使得带电粒子以速度v_e平行于厚度d的氮化硼薄膜运动，以产生传输角度为θ的切伦科夫辐射。

2.如权利要求1所述产生的表面声子激元切伦科夫辐射的方法，其特征在于，在加速带电粒子前，还包括调控切伦科夫辐射的正反方向的步骤，其包括：

通过选择氮化硼薄膜的厚度d和带电粒子速度v_e，以控制切伦科夫辐射的正反向。

3.如权利要求2所述产生的表面声子激元切伦科夫辐射的方法，其特征在于，通过选择氮化硼薄膜的厚度d和带电粒子速度v_e，以控制切伦科夫辐射的正反向，包括：

通过选择不同的氮化硼薄膜的厚度d，以调整氮化硼薄膜的表面声子波波长；

设置带电粒子速度v_e，以确定带电粒子的色散曲线和氮化硼薄膜的薄膜色散曲线在波数正方向上第一相交区域和第二相交区域的范围；同时，

选择的所述氮化硼薄膜的厚度d，使表面声子波的波数落在预先指定的第一相交区域或第二相交区域内。

4.如权利要求1所述产生的表面声子激元切伦科夫辐射的方法，其特征在于，氮化硼薄膜的厚度d与v_pps的关系为：

v_pps＝2*pi*c/(k*λ),其中k是表面声子波激元的波士，c为真空光速，其中ω是表面声子激元的频率，d是氮化硼薄膜的厚度，ε_⊥和ε_||分别是氮化硼薄膜的平面外和平面内方向的介电常数，l是整数，其表示高阶的声子导波模式，pi为圆周率，λ为表面声子波波长，i是虚数的单位。

5.如权利要求1-4任意一项所述产生的表面声子激元切伦科夫辐射的方法，其特征在于，所述氮化硼薄膜为六方氮化硼薄膜，所述六方氮化硼薄膜通过将铜基六方氮化硼薄膜上的六方氮化硼转移到介质衬底上制得。

6.一种产生的表面声子激元切伦科夫辐射的系统，其用于使带电粒子在氮化硼薄膜上产生切伦科夫辐射的目标传输角度达到设定值θ，其特征在于，包括：

氮化硼薄膜，其具有选定的厚度d；

粒子加速器，其用于将带电粒子加速至设定速度v_e，并使带电粒子平行氮化硼薄膜以v_e运动；同时，

所述氮化硼薄膜的厚度d和带电粒子在氮化硼薄膜上的速度v_e满足：(1)v_e＞v_pps，其中，v_pps为表面声子激元的相速度；(2)sinθ＝v_pps/v_e；其中，v_pps的大小的调整是通过选择氮化硼薄膜的厚度d的大小来调整的。

7.如权利要求6所述的产生的表面声子激元切伦科夫辐射的系统，其特征在于：

所述系统中氮化硼薄膜的厚度d和带电粒子在氮化硼薄膜上的速度v_e被配置成：使切伦科夫辐射的方向正反符合预设方向。

8.如权利要求6所述的产生的表面声子激元切伦科夫辐射的系统，其特征在于：

所述氮化硼薄膜的厚度d和设置带电粒子速度v_e被配置为：使带电粒子的色散曲线和氮化硼薄膜的薄膜色散曲线在波数正方向上形成第一相交区域和第二相交区域；并使表面声子波的波数落在预先指定的第一相交区域或第二相交区域内。

9.如权利要求6所述产生的表面声子激元切伦科夫辐射的方法，其特征在于，氮化硼薄膜的厚度d与v_pps的关系为：

v_pps＝2*pi*c/(k*λ),其中k是表面声子波激元的波士，c为真空光速，其中ω是表面声子激元的频率，d是氮化硼薄膜的厚度，ε_⊥和ε_||分别是氮化硼薄膜的平面外和平面内方向的介电常数，l是整数，其表示高阶的声子导波模式，pi是圆周率，λ为表面声子波波长，i是虚数的单位。

10.如权利要求6所述产生的表面声子激元切伦科夫辐射的系统，其特征在于，所述氮化硼薄膜为六方氮化硼，所述v_e＝0,02c、0.04c或者0.06c。