CN111224208B - 一种亚波长轨道角动量谐振器 - Google Patents

一种亚波长轨道角动量谐振器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种亚波长轨道角动量谐振器，该谐振器为层状结构，包括：第一谐振图形层、第二谐振图形层、位于第一谐振图形层和第二谐振图形层之间的介质基板层；其中第一谐振图形层包括外侧金属圆圈、位于外侧金属圆圈内圆周等间距的放射状金属条形结构；第二谐振图形层包括大面积金属地上互补的内侧圆圈、位于内侧圆圈外圆周等间距的放射状条形结构；第一谐振图形层上的放射状金属条形结构与第二谐振图形层上的放射状条形结构周期相同；外侧金属圆圈和内侧圆圈的圆心连线垂直于谐振器表面；相邻的放射状金属条形结构和放射状条形结构间的夹角为γ，γ≠0°。该谐振器可以将电磁波束缚在亚波长尺度，保持极低的辐射效率，在谐振器内实现束缚的轨道角动量模式。

Description

一种亚波长轨道角动量谐振器
技术领域
本发明属于谐振器、传输线技术领域，具体涉及一种打破手性对称性、可以将电磁波轨道角动量模式束缚在亚波长尺度并保持极低辐射效率的谐振器。
背景技术
电磁波携带的角动量，包括自旋角动量(Spin angular momentum,SAM)和轨道角动量(Orbital angular momentum,OAM)。自旋角动量表现为电磁波的左旋和右旋圆极化，已经得到较为全面成熟的研究，并用于葡萄糖等手性分子探测等领域。轨道角动量，是由相位面围绕光轴的旋转产生。电磁波的波前不再是平面，而是绕着传播方向旋转，表现为一种螺旋状的波前。电磁波的轨道角动量概念在1989才被提出，近年来才得到越来越多的关注。
对于电磁波轨道角动量的研究，绝大部分都集中于自由空间中的轨道角动量波束。而研究轨道角动量与物质的相互作用，其强度取决于光束的聚焦特性，受制于衍射极限。
发明内容
发明目的：本发明旨在提供一种亚波长轨道角动量谐振器，该谐振器能够实现束缚态的轨道角动量模式，该模式在近场增强轨道角动量和物质相互作用、光学操控等方面有着可观的应用前景。
技术方案：本发明采用如下技术方案：
一种亚波长轨道角动量谐振器，所述谐振器为层状结构，包括：第一谐振图形层1、第二谐振图形层2、位于第一谐振图形层1和第二谐振图形层2之间的介质基板层3；
所述第一谐振图形层1包括外侧金属圆圈、位于外侧金属圆圈内圆周等间距的放射状金属条形结构；
所述第二谐振图形层2包括大面积金属地上互补的内侧圆环、位于内侧圆环外圆周等间距的放射状条形结构；
所述第一谐振图形层1上的放射状金属条形结构与第二谐振图形层2上的放射状条形结构周期相同；
外侧金属圆圈和内侧圆环的圆心连线垂直于谐振器表面；相邻的放射状金属条形结构和放射状条形结构间的夹角为γ，γ≠0°。
所述夹角γ取值为0.1°到
Figure GDA0002838182420000021
N为放射状金属条形结构的总数。
所述外侧金属圆圈的宽度与内侧圆环的宽度相同。
所述放射状条形结构末端到外侧金属圆圈的距离与所述放射状金属条形结构末端到内侧圆环的距离相同。
所述谐振器采用微带线对称缝隙激励，所述微带线为直线带状，末端与谐振器外侧金属圆圈的外圆周之间有缝隙；所述微带线的延长线经过谐振器外侧金属圆圈的圆心；所述微带线中心轴线将夹角γ分为不相等的两个角。
所述介质基板3为FR4，F4B，Rogers公司生产的RO4003、3003、4350、RT5880、5870、6002、6006、6010、6035、6202，Nelco公司生产的N4000-13、N4000-13EPSI的印刷电路或微波电路的介质基板，或为Si、SiO2、Al2O3、GaAs、GaN的半导体或介质材料，或为柔性有机介质材料。
所述介质基板3的厚度为1μm～10mm之间。
所述第一谐振图形层1和第二谐振图形层2为铜、锡、金、银、铬、铅、铂、锌、铝、镁或钛的单一材料或其复合材料。
所述第一谐振图形层1和第二谐振图形层2的厚度为50nm～1mm之间。
所述第一谐振图形层1上的放射状金属条形结构与第二谐振图形层2上的放射状条形结构中条状结构的数量为5-60个。
所述谐振器采用微带弧线激励；所述微带弧线激励包括直线部分和90°弧线部分；所述直线部分的末端与弧线部分相连，且连接点不为弧线的中点；所述弧线部分的圆心和外侧金属圆圈的圆心均在直线部分的延长线上，所述弧线部分的半径大于第一谐振图形层1的外侧金属圆圈半径，所述弧线部分的角度在区间[1°,359°]内；所述直线部分中心轴线将夹角γ分为不相等的两个角。
有益效果：本发明公开的亚波长轨道角动量谐振器，利用上下两层谐振图形，实现了对电磁波极强的束缚，降低了谐振器辐射损耗。通过上下层谐振图形的旋转，打破了结构的手性对称性，从而在亚波长尺度实现束缚态的轨道角动量谐振器。该轨道角动量谐振器在近场增强轨道角动量与物质相互作用、近场光学操控等领域有着可观的应用前景。
附图说明
图1为本发明公开的谐振器的结构示意图；
图2为实施例中公开的谐振器的几何参数示意图；
图3为第一谐振图形层中放射状金属条形结构与第二谐振图形层中放射状条形结构位置重合时的谐振器S11谱线图，以及电偶极子和电四极子的电场振幅和相位分布图；
图4为实施例2中的谐振器在微带线对称缝隙激励下的S11谱线图，以及电偶极子模式的电场振幅和相位分布图；
图5为实施例3中的谐振器在非对称微带激励结构下的S11谱线图，以及电偶极子模式的电场振幅和相位分布图；
图6为实施例3中非对称微带激励的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施案例做说明。
本发明公开了一种亚波长轨道角动量谐振器，如图1所示，该谐振器为层状结构，图1-(a)为第一谐振图形层1的正视图，图1-(b)为第二谐振图形层2的正视图，图1-(c)为该谐振器的侧视图，图中位于第一谐振图形层1和第二谐振图形层2之间的是介质基板层3。第一谐振图形层1包括外侧金属圆圈、位于外侧金属圆圈内圆周等间距的放射状金属条形结构；第二谐振图形层2包括大面积金属地上互补的内侧圆环、位于内侧圆环外圆周等间距的放射状条形结构。
如图2所示，为实施例中谐振器的结构参数示意图，其中黑色为第一谐振图形层的金属图形，第二谐振图形层2为互补结构，即图中灰色金属部分中去除圆环和放射状条形结构，去除部分为白色。第一谐振图形层1上的放射状金属条形结构与第二谐振图形层2上的放射状条形结构周期相同；外侧金属圆圈和内侧圆环的圆心连线垂直于谐振器表面；相邻的放射状金属条形结构和放射状条形结构间的夹角为γ。
如图2-(a)所示，外侧金属圆圈的直径为D，内外圆圈半径之差为d；外侧金属圆圈的宽度与内侧圆环的宽度相同，均为s；第二谐振图形层中互补的放射状条形结构末端到第一谐振图形层中外侧金属圆圈的距离，以及第一谐振图形层中放射状金属条形结构末端到第二谐振图形层中互补的内侧圆环的距离相同，均为gap；第一谐振图形层1上的放射状金属条形结构与第二谐振图形层2上的放射状条形结构绕圆周均匀分布且周期相同，均有30个条形结构；一个条状结构的角度θ＝2°。
如图2-(b)所示，当采用微带线对称缝隙激励时，微带线4的延长线经过外侧金属圆圈的圆心，微带线末端与外侧金属圆圈之间存在缝隙。微带线末端到外侧金属圆圈圆心的连线逆时针旋转α度，与第一谐振图形层中放射状金属条形结构重合；微带线末端到外侧金属圆圈圆心的连线顺时针旋转β度，与第二谐振图形层中互补的放射状条形结构重合，即微带线中心轴线将角γ分为α,β两个角，γ＝α+β。当γ不为0时，打破了谐振器结构的手性对称性。夹角γ取值为0.1°到
Figure GDA0002838182420000041
N为放射状金属条形结构的总数，下述实施例中，N＝30。
介质基板3为可以为FR4，F4B，Rogers公司生产的RO4003、3003、4350、RT5880、5870、6002、6006、6010、6035、6202，Nelco公司生产的N4000-13、N4000-13EPSI的印刷电路或微波电路的介质基板，或为Si、SiO2、Al2O3、GaAs、GaN的半导体或介质材料，或为柔性有机介质材料；下述实施例中介质基板选为Rogers RO4003C，其介电常数为3.38，介质损耗角为0.0021，厚度为0.203mm。
实施例1：
本实施例中的谐振器的参数γ＝α＝β＝0，且gap＝0，此时为普通的人工表面等离激元谐振器，第一谐振图形层1和第二谐振图形层2的放射状条形结构周期相同、上下位置相同，结构如图3-(a)所示。其在对称的微带缝隙耦合下的S11谱线如图3-(b)所示，电偶极子和电四极子的电场z分量(垂直于纸面方向)振幅和相位分布如图3-(c)所示，结果来自CST时域仿真。其电偶极子谐振频率1.327GHz，对应于将模式压缩在1/11波长；辐射效率0.34％，品质因子(谐振频率除以3dB带宽)为86.24。电偶极子和电四极子的相位为±180°突变分布。
实施例2：
为了打破谐振器结构的手性对称性，在实施例1的基础上，将第一谐振图形层1和第二谐振图形层2分别逆时针旋转α度和顺时针旋转β度，使得相邻的放射状金属条形结构和放射状条形结构间的夹角为γ；α和β可以为0，但要满足γ≠0°。在采用微带线对称缝隙激励时，还要满足α≠β。本实施例中，角度α＝1°，β＝3°，γ＝4°，gap＝0，外侧金属圆圈的直径D＝20mm，内外圆圈半径之差d＝9mm；外侧金属圆圈的宽度与内侧圆环的宽度均为s＝0.2mm；结构如图4-(a)所示。由于γ不为0，打破了谐振器结构的手性对称性。该结构由50Ω微带线对称缝隙激励，介质基板3为0.203mm厚的Rogers RO4003C板材，其介电常数为3.38，损耗角正切0.0021，微带线宽度w＝0.45mm,微带线到谐振器缝隙p＝0.2mm。
如图4(b)所示，为该亚波长轨道角动量谐振器的S11谱线(利用CST的时域求解器，电磁场仿真得到)的电偶极子和电四极子谐振频段。此时电偶极子的谐振依然对应于1/11波长的场束缚，品质因子为81.39，其电场z分量的振幅和图3中普通的人工表面等离激元谐振器的情况相同，如图4-(c)；而相位体现为轨道角动量的螺旋相位面(l＝1)，如图4-(d)所示。若取镜像结构即α＝-1°，β＝-3°，即微带线末端到外侧金属圆圈圆心的连线顺时针旋转1°，与第一谐振图形层中放射状金属条形结构重合；微带线末端到外侧金属圆圈圆心的连线逆时针旋转3°，与第二谐振图形层中互补的放射状条形结构重合，则对应于l＝-1轨道角动量，螺旋相位面旋转方向相反，如图4-(e)所示。轨道角动量的拓扑荷数l的定义为围绕圆心的相位积分：
Figure GDA0002838182420000051
其中C为谐振器结构平面内围绕圆心的任意环路,φ(r)为位置r处电场的相位。
实施例3：
本实施例中考虑非对称的激励方式，进一步增强整个结构的手性非对称性，实现高阶的轨道角动量。
本实施例采用的谐振器结构同实施例2，激励结构如图5-(a)所示，利用微带弧线进行激励，微带弧线激励包括直线部分和弧线部分；直线部分的末端与弧线部分连接。为了保证激励的非对称性，直线部分与弧线部分的连接点可以在弧线部分的末端，如图5-(a)所示，也可以在弧线部分的中间段，如图6所示，但不能在弧线部分的中点。弧线部分的圆心和外侧金属圆圈的圆心均在直线部分的延长线上，所述弧线部分的半径大于第一谐振图形层1的外侧金属圆圈半径，由此弧线部分与外侧金属圆圈之间存在缝隙。与实施例2中相同，在非对称激励时，直线部分的中心轴线将夹角γ分得的两个角α和β可以为0，且要求不相等，同时满足γ≠0°。弧线部分的角度可以在区间[1°,359°]内。
本实施例中，弧线的角度为90°，弧线部分与外侧金属圆圈间的缝隙宽度为0.1mm，即弧线部分和谐振器径向距离为0.1mm。该激励结构一方面提高了谐振器的激励效率，另一方向增强了结构的手性非对称。S11谱线如图5-(b)所示，其中电偶极子对应于1/11波长的场束缚，品质因子61.4，激励效率99％；电四极子对应于1/6波长的场束缚，品质因子44.82，激励效率98.6％。
电偶极子和电四极子的电场z分量振幅和图3中相同，如图5-(c)所示；而相位分布分别对应于l＝1和l＝2的螺旋相位面，如图5-(d)所示。当整个结构包括激励结构取镜面对称，即谐振器中α＝-1°，β＝-3°，激励的微带圆弧向下，其S11谱线、场束缚性、品质因子、激励效率和电场z分量振幅等均不变；相位对应于l＝-1和l＝-2的螺旋相位面，如图5-(d)所示。

Claims (10)

1.一种亚波长轨道角动量谐振器，其特征在于，所述谐振器为层状结构，包括：第一谐振图形层(1)、第二谐振图形层(2)、位于第一谐振图形层(1)和第二谐振图形层(2)之间的介质基板层(3)；
所述第一谐振图形层(1)包括外侧金属圆圈、位于外侧金属圆圈内圆周等间距的放射状金属条形结构；
所述第二谐振图形层(2)包括大面积金属地上互补的内侧圆环、位于内侧圆环外圆周等间距的放射状条形结构；
所述第一谐振图形层(1)上的放射状金属条形结构与第二谐振图形层(2)上的放射状条形结构周期相同；
外侧金属圆圈和内侧圆环的圆心连线垂直于谐振器表面；相邻的放射状金属条形结构和放射状条形结构间的夹角为γ，γ≠0°。
2.根据权利要求1所述的亚波长轨道角动量谐振器，其特征在于，所述夹角γ取值为0.1°到
Figure FDA0002838182410000011
N为放射状金属条形结构的总数。
3.根据权利要求1所述的亚波长轨道角动量谐振器，其特征在于，所述外侧金属圆圈的宽度与内侧圆环的宽度相同。
4.根据权利要求1所述的亚波长轨道角动量谐振器，其特征在于，所述放射状条形结构末端到外侧金属圆圈的距离与所述放射状金属条形结构末端到内侧圆环的距离相同。
5.根据权利要求1所述的亚波长轨道角动量谐振器，其特征在于，所述谐振器采用微带线对称缝隙激励，所述微带线为直线带状，末端与谐振器外侧金属圆圈的外圆周之间有缝隙；所述微带线的延长线经过谐振器外侧金属圆圈的圆心；所述微带线中心轴线将夹角γ分为不相等的两个角。
6.根据权利要求1所述的亚波长轨道角动量谐振器，其特征在于，所述介质基板(3)的厚度为1μm～10mm之间。
7.根据权利要求1所述的亚波长轨道角动量谐振器，其特征在于，所述第一谐振图形层(1)和第二谐振图形层(2)为铜、锡、金、银、铬、铅、铂、锌、铝、镁或钛的单一材料或其复合材料。
8.根据权利要求1所述的亚波长轨道角动量谐振器，其特征在于，所述第一谐振图形层(1)和第二谐振图形层(2)的厚度为50nm～1mm之间。
9.根据权利要求1所述的亚波长轨道角动量谐振器，其特征在于，所述第一谐振图形层(1)上的放射状金属条形结构与第二谐振图形层(2)上的放射状条形结构中条状结构的数量为5-60个。
10.根据权利要求1所述的亚波长轨道角动量谐振器，其特征在于，所述谐振器采用微带弧线激励；所述微带弧线激励包括直线部分和弧线部分；所述直线部分的末端与弧线部分连接，且连接点不为弧线的中点，所述弧线部分的圆心和外侧金属圆圈的圆心均在直线部分的延长线上，所述弧线部分的半径大于第一谐振图形层(1)的外侧金属圆圈半径，所述弧线部分的角度在区间[1°,359°]内；所述直线部分中心轴线将夹角γ分为不相等的两个角。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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