CN112285813A - 一种太赫兹人工表面等离子激元的介质超光栅高效激发装置 - Google Patents

一种太赫兹人工表面等离子激元的介质超光栅高效激发装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种太赫兹人工表面等离子激元的介质超光栅高效激发装置。本装置中主要由介质型衬底上构造的介质超光栅、介质层和支持太赫兹人工表面等离子激元(Spoof Surface Plasmon Polaritons,SSPs)的金属周期开槽结构。平面太赫兹波垂直入射二维介质超光栅在介质型衬底偏折一定角度，入射波的横向波矢然通过介质层激发金属周期开槽结构上的SSPs。该结构可有效克服目前棱镜激发SSPs体积大，反射式金属超表面激发SSPs效率低，透射式金属超表面激发SSPs存在多层结构设计困难、耦合带宽窄和金属损耗大的困难，在太赫兹传感、波导等多种应用中有巨大应用价值。

Description

一种太赫兹人工表面等离子激元的介质超光栅高效激发装置
技术领域
本发明属于微波、太赫兹波技术领域，涉及一种太赫兹人工表面等离子激元的介质超光 栅高效激发装置。
背景技术
太赫兹(Terahertz or THz)波通常是指频率在0.1～10THz区间的电磁波，其光子的 能量约为1～10meV，正好与分子振动及转动能级之间跃迁的能量大致相当。大多数极性分 子如水分子、氨分子等对THz辐射有强烈的吸收，许多有机大分子(DNA、蛋白质等)的振动能 级和转动能级之间的跃迁也正好在THz波段范围。因此，物质的THz光谱(包括发射、反射和 透射光谱)包含有丰富的物理质和化学信息，其吸收和色散特性可以用来做爆炸物、药物等化 学及生物样品的探测和识别，在物理学、化学、生物医学、天文学、材料科学和环境科学等 方面具有重要的应用价值。
自然界中的表面等离子激元(Surface Plasmon Polariton,SPP)存在于远红外以上的频 段，是由空间或介质内电磁场与金属表面区域的自由电子相互作用形成的沿介质-金属表面传 播的电子疏密波，可以将电磁能量束缚在很小的亚波长范围内进行传播，在传感和波导等很 多方面有巨大应用价值。研究者希望将SPP的优异性能应用到微波、毫米波频段，但由于金 属的等离子体频率处于红外和光波段，在微波和毫米波频段，整体金属的行为接近理想导体， 不存在表面等离激元模式。近年来学者发现金属表面上通过设计人工周期介质孔阵列结构或 开槽结构有效降低了人工金属表面的等离子体频率，从而构建出微波和毫米波频段的人工表 面等离激元(SSPs)，其色散曲线和物理特征与光波段表面等离激元极其相似。相比于自然存 在的表面等离激元，SSPs具有两个显著的优点：第一，等离子体频率远低于金属本身的等离 子体频率，具有较小的损耗；第二，可以通过改变金属表面的结构参数来灵活控制SSPs的色 散特性，进而获得可调控、可重构、智能化的电路、器件或天线，在微波、毫米波和太赫兹 波段有巨大的应用价值。
然而由于存在波矢失配，自由空间平面波直接耦合SPPs或SSPs结构激发等离子激元非 常困难。通常采用棱镜耦合、金属光栅以及金属尖端耦合等激发方式，但存在耦合结构庞大 或效率较低的问题。超光栅是利用一维或二维亚波长介质结构的谐振响应或亚波长金属结构 的等离子体响应控制电磁波的非零级衍射，把垂直入射波导入±1级或±2衍射，达到极大偏 折角度的目的。反射式金属超光栅耦合SPPs效率低，透射式金属超光栅需要多层结构，设计 困难、金属损耗大。本发明利用二维平面高阻硅介质超光栅把垂直入射的太赫兹波在介质型 衬底里偏折一定角度，然后通过介质层激发金属周期开槽结构上的人工表面等离子激元，具 有设计简单、耦合效率高的优点，在太赫兹传感、波导等多种应用中有巨大应用价值。
发明内容
本发明目的是克服现有自由空间电磁波耦合激发人工表面等离子激元方法的不足，提供 一种利用太赫兹介质二维介质超光栅激发金属周期开槽结构上的人工表面等离子激元的装置。 其特征在于利用二维介质超光栅把垂直入射的太赫兹波在介质型衬底里偏折一定角度，然后 通过介质层高效激发金属周期开槽结构上的人工表面等离子激元，在太赫兹传感、波导等多 种应用中有巨大应用价值。
本发明首先公开了一种太赫兹人工表面等离子激元的介质超光栅高效激发装置，其包括 介质超光栅、介质型衬底、介质层、金属周期开槽结构；所述介质超光栅下表面紧贴布置介 质型衬底，介质超光栅具有能够使垂直入射电磁波发生衍射偏折的周期性元胞阵列，所述介 质型衬底与金属周期开槽结构通过介质层隔开，金属周期开槽结构位于介质型衬底下方。
作为本发明的优先方案，所述的周期性元胞阵列包括在X方向上交替且周期性排列的两 种高阻硅介质柱阵列，在Y方向上，每个高阻硅介质柱阵列内的高阻硅介质柱等间距排列且 高度和直径相同；两种高阻硅介质柱高度相等、直径不同，其中，大直径高阻硅介质柱的直 径范围为180～210um，小直径高阻硅介质柱的直径范围为140～160um；最近距离为40～60um， 介质超光栅的长周期为650～700um，短周期为250～270um；
进一步的，所述两种高阻硅介质柱高度范围为250～350um。
作为本发明的优选方案，所述的介质型衬底材料为二氧化硅，厚度为100～1000um。
作为本发明的优选方案，所述的介质层为空气层、待测气体层或待测液体层，厚度范围 为300～600um。
作为本发明的优选方案，所述的介质层的折射率小于介质型衬底。
作为本发明的优选方案，所述的金属周期开槽结构开槽的长度大于1mm，深度100～200um， 宽度20～40um，所述的开槽沿X方向周期排列，周期为50～150um。
本发明还进一步公开了所述装置的太赫兹人工表面等离子激元激发方法，其包括如下步 骤：准直入射的太赫兹波垂直入射介质超光栅，介质超光栅将传播波的垂直波矢部分转化为 ±1级衍射波，在衬底中偏折一定角度，其横向波矢再经过介质层激发周期性金属开槽结构4 上的人工表面等离子激元。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
本发明因为采用了介质超光栅，把垂直入射的太赫兹波矢量转换为水平波矢量，并激发 太赫兹金属开槽阵列结构的人工表面等离子激元。二维介质超光栅厚度在亚波长量级，周期 在波长量级，可以克服目前棱镜耦合、金属光栅以及金属尖端耦合等激发方式存在的耦合结 构庞大或效率较低的问题，以及金属超表面耦合频带窄，多层结构设计困难等问题。从而得 到设计简单、体积紧凑、易于集成、耦合效率高的效果，在太赫兹传感、波导等多种应用中 有巨大应用价值。
附图说明
图1一种太赫兹人工表面等离子激元的介质超光栅高效激发装置示意图(3D)；
图2一种太赫兹人工表面等离子激元的介质超光栅高效激发装置示意图(2D)；
图3为金属周期开槽上SSP模式的色散曲线；
图4本发明装置在周期边界下二维介质超光栅激发金属周期开槽结构上的人工表面等离 子激元的电场分布图，(a)介质型衬底比波长厚的情况，(b)介质型衬底比波长薄的情况；
图5为本发明装置激发人工表面等离子激元的耦合效率曲线(在谐振频率下耦合效率 78％)。
图6是基于本发明的太赫兹波段人工表面等离子体激发装置形成的气体检测装置是示意 图。
图7是应用实施例得到的不同的气体频率-反射系数曲线。
图中：介质超光栅1、介质型衬底2、介质层3、金属周期开槽结构4。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特 征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
本发明的思路是利用介质超光栅与人工金属表面周期性开槽结构相结合，来实现在太赫 兹波段激发人工表面等离子激元。
请参见图1和图2，图1是本发明一种太赫兹人工表面等离子激元的介质超光栅高效激 发装置的三维示意图，图2是二维示意图。如图1所示，该激发装置包括介质超光栅1、介 质型衬底2、介质层3、周期性金属开槽结构4，其中介质超光栅1设置在介质型衬底2上，介质层3设置在周期性金属开槽结构4和介质型衬底2之间，由准直入射的THz波垂直入射介质超光栅1，在介质型衬底2偏折一定角度，其横向波矢再经过介质层3激发周期性金属开槽结构4上的人工表面等离子激元。
具体的，本发明中，介质超光栅1是具有能够使垂直入射电磁波发生衍射偏折的周期性 元胞阵列，其可以将传播波的垂直波矢部分转化为±1级衍射波，在衬底中偏折一定角度，并 包含横向波矢。
另一方面，对于该介质超光栅1的材质选择，优选为在太赫兹频段具有较高透明度的介 质材料，其中较优地选择为单晶硅，在太赫兹波段折射率高、吸收小，是一种非常适用于太 赫兹波段的介质材料。
介质型衬底2主要作用是支撑介质超光栅，同时入射太赫兹波垂直波矢在这里被介质超 光栅1转化为±1级衍射波波矢，其中包含平行金属开槽结构的横向波矢，进入介质层3。在 一种实施方式中，该介质性衬底2的材料为氧化硅，厚度可以在100～1000um间选择。
介质层3为介质材料填充层，优选为空气。同时本发明的装置还可以作为传感器进行应 用，在作为传感器时，介质层可以是其它气体或透明液体等待测物，只要满足该介质层3的 折射率小于上面的介质型衬底2即可，并且两者的差值越大越好。在这里介质型衬底2里的 入射波横向波矢分量转换为金属开槽阵列支持的伪表面等离子体波。
周期性金属开槽结构4的作用是在THz波段支持伪表面等离子体波。图3给出了金属周 期开槽上SSP模式的色散曲线，其中线段1和线段2分别表示电磁波在空气和在衬底中的色 散关系，曲线3和曲线4则分别表示金属开槽阵列SSPs在不同模式下的色散曲线。从图中我 们可以看出通过控制金属开槽，能够很好的支持人工表面等离子体模式。由图分析可知，当 kssp较小时，即在低频区域内，SSP的色散曲线非常接近空气中的色散曲线，但是随着kssp的 增大，即频率的增加，SSP的色散曲线逐渐远离空气中的色散曲线，最后趋近一个固定值。 其实际物理意义为当频率逐渐增大时,表面波的波矢逐渐大于周围介质中的波矢,并在一定频 率即渐近频率处趋于平直，这个值被称为表面等离子频率。从以上分析中我们知道，只有在 金属的表面等离子体频率附近的区域太赫兹波有较强的束缚能力。
在同一频率下,SSP的波矢始终大于空气传播波的波矢,因此SSP模式和空气传播波矢不 匹配，所以SSP不能被空气中入射波直接激发,需要额外结构进行波矢匹配。
图4是本发明中介质型衬底在两种不同实施方式下计算机模拟的电场分布图。其中，图 4a中采用介质型衬底2的厚度大于入射波长的实施方式，图4b中采用介质型衬底2的厚度 小于入射波长的实施方式，介质层3为空气介质层，介质型衬底2选用二氧化硅介质型衬底， 比波长厚、比波长薄的两种情况下，在周期边界上，当衬底厚度>500μm以及衬底厚度<100μm 两种情况时，人工表面等离子体同样可以被激发，说明衬底的厚度制作选择范围广(比波长 的厚、薄两种情况可选择)且具有可行性。因此在高阻硅介质超光栅和基底介质层之间设置 的衬底结构，不仅具有入射角度稳定性好、高品质因数的优点，还可以在厚、薄两种应用场 景下都可以实现本发明的效果。
图5该本发明的装置激发人工表面等离子激元的耦合效率曲线。如图5中所示，本发明 的人工表面等离子激元在图3模式1的谐振频率下出现耦合效率的峰值超过70％，说明本发 明的超光栅人工等离子激元耦合器具有较高的耦合效率。
下面，再通过一个具体的实施方式，来说明本发明的人工表面等离子激元的具体应用。
本应用是利用金属开槽开槽所支持太赫兹伪表面等离子体谐振峰随开槽内气体折射率 移动来测量气体种类。由于返波振荡器的太赫兹频谱分辨率可以达到5MHz，本传感器中谐振 峰位置最近的两种气体频率差达到50MHz，该传感器可以实现对常见气体的种类检测。
请参见图6，图6是基于本发明的太赫兹波段人工表面等离子体激发装置形成的气体检 测装置，如图6所示，该气体检测装置包括太赫兹人工表面等离子体激发装置10和检测光路 20，其中太赫兹人工表面等离子激发装置中，在原介质层部分替换为待检测的气体30，并且 该通过形成封闭式的腔体11，让待检测的气体30充入该腔体11。检测光路20包括太赫兹信 号源21、第一透镜22、第二透镜23、第三透镜24；反射镜25；第四透镜26和回波信号探 测器27。
其中，封闭式腔体11是通过在周期性金属开槽结构和介质型衬底之间设置挡板形成的， 将待测气体30导入至该封闭式腔体30中，由太赫兹信号源21发出的THz波在透过第一透镜 22、高阻硅片23、第二透镜23后，汇聚到太赫兹人工表面等离子激发装置的介质超光栅上， 再经过介质型衬底后发生偏折、并到达存放待测气体的周期性金属开槽结构激发太赫兹伪表 面等离子体后，THz波反射回介质超光栅，再透过第二透镜24，被高阻硅片23反射后，透过 第三透镜25到达太赫兹信号探测器26。太赫兹信号探测器26通过检测反射信号，得到频率 -反射系数关系曲线。然后根据反射谐振峰的位置，并带入标准气体种类-谐振峰测量校正曲 线得到待测气体的精确种类。
请参见图7，图7中的检测气体分别为氢气、一氧化碳、甲烷、甲醚、溴蒸气、苯蒸气、氯气。可以看出，不同的气体在频率-反射系数曲线中具有不同的谐振峰，因此只要与标准气 体的谐振峰位置表进行比对，就能获取待测气体的具体成分。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因 此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在 不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。 因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种太赫兹人工表面等离子激元的介质超光栅高效激发装置，其特征在于包括介质超光栅(1)、介质型衬底(2)、介质层(3)、金属周期开槽结构(4)；
所述介质超光栅(1)下表面紧贴布置介质型衬底(2)，介质超光栅(1)具有能够使垂直入射电磁波发生衍射偏折的周期性元胞阵列，所述介质型衬底(2)与金属周期开槽结构(4)通过介质层(3)隔开，金属周期开槽结构(4)位于介质型衬底(2)下方。
2.根据权利要求1所述的太赫兹人工表面等离子激元的介质超光栅高效激发装置，其特征在于所述的周期性元胞阵列包括在X方向上交替且周期性排列的两种高阻硅介质柱阵列，在Y方向上，每个高阻硅介质柱阵列内的高阻硅介质柱等间距排列且高度和直径相同；两种高阻硅介质柱高度相等、直径不同，其中，大直径高阻硅介质柱的直径范围为180～210um，小直径高阻硅介质柱的直径范围为140～160um；最近距离为40～60um，介质超光栅(1)的长周期为650～700um，短周期为250～270um。
3.根据权利要求2所述的太赫兹人工表面等离子激元的介质超光栅高效激发装置，其特征在于所述两种高阻硅介质柱高度范围为250～350um。
4.根据权利要求1所述的太赫兹人工表面等离子激元的介质超光栅高效激发装置，其特征在于所述的介质型衬底(2)材料为二氧化硅，厚度为100～1000um。
5.根据权利要求1所述的太赫兹人工表面等离子激元的介质超光栅高效激发装置，其特征在于所述的介质层为空气层、待测气体层或待测液体层，厚度范围为300～600um。
6.根据权利要求1所述的太赫兹人工表面等离子激元的介质超光栅高效激发装置，其特征在于所述的介质层(3)的折射率小于介质型衬底(2)。
7.根据权利要求1所述的太赫兹人工表面等离子激元的介质超光栅高效激发装置，其特征在于所述的金属周期开槽结构(3)开槽的长度大于1mm，深度100～200um，宽度20～40um，所述的开槽沿X方向周期排列，周期为50～150um。
8.一种基于权利要求1所述装置的太赫兹人工表面等离子激元激发方法，其特征在于：准直入射的太赫兹波垂直入射介质超光栅(1)，介质超光栅(1)将传播波的垂直波矢部分转化为±1级衍射波，在衬底中偏折一定角度，其横向波矢再经过介质层(3)激发周期性金属开槽结构(4)上的人工表面等离子激元。
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