[发明专利]使用负折射率材料的用于电磁谐振的方法和设备

说明书

技术领域

本发明一般涉及调节电磁辐射束，更加具体地，涉及用于具有负折射率的装置和使用负折射产生电磁谐振的结构。

背景技术

光子晶体是一种人造材料，通常将其称为“超材料(metamaterial)”。通过将具有一种介电常数的材料周期性地分散在具有不同介电常数的基体中形成光子晶体。一维光子晶体是仅在一维中存在介电常数周期性的三维结构。布拉格镜是一维光子晶体的一个示例。交替的薄层具有不同的介电常数和折射率。几层薄层的组合形成仅在与薄层平面正交的方向上存在介电常数的周期性的三维结构。在薄层平面内包含的两维中不存在周期性。

通过将具有一种介电常数的材料的圆棒或圆柱周期性地分散在具有不同介电常数的基体中可以形成二维(2D)光子晶体。2D光子晶体在二维中存在周期性(例如垂直圆棒或圆柱长度的方向)，但是在平行圆柱长度的方向上不存在周期性。

最后，通过将具有第一介电常数的第一材料的小球或其它球形局限区域周期地分散在具有第二不同介电常数的第二材料的基体中可以形成三维光子晶体。三维光子晶体在晶体内的全部三维内存在介电常数的周期性。

在存在介电常数周期性的方向上，光子晶体可能存在一定频率范围内的光子能带隙。换句话说，在存在介电常数周期性的方向上，可能存在不能透射过光子晶体的电磁辐射的频率范围。不能透射的这种频率范围被认为是该光子晶体的光子能带隙。

对于光子晶体的介绍及其用途和应用，读者可以参考John D.Joannopoulos、Robert D.Meade和Joshua N.Winn的《PhotonicCrystals-Molding the Flow of Light》(普林斯顿大学出版社，1995年)及K.Inoue和K.Ithaca的《Photonic Crystals-Physics，Fabrication andApplications》(Springer，2004年)。

在天然材料中，当电磁辐射进入到两种材料之间的交界处时，其被以特定角度和特定方向折射。已经研究出一种超材料，其在与天然材料的方向相反的方向上折射电磁辐射。由于其能够在负方向上折射并且作为结果能够再聚焦电磁辐射而不是使电磁辐射被分散的能力，呈现出负折射的这些材料通常被称为超棱镜。近年来，已经表明光子晶体可能呈现出这种负折射。对于这些超棱镜结构，特别是呈现出负折射的光子晶体，可能存在多种新的且有用的应用。

发明内容

具有大量实施例的本发明包括用电磁辐射束产生谐振的方法和呈现出负超棱镜性能的光子晶体，其中光子晶体的负折射性能可以用于产生谐振结构。

本发明的实施例包括电磁谐振装置，其包括输入反射器、输出反射器，以及设置在输入反射器和输出反射器之间的周期性电介质。输入反射器设置成显著反射具有所关心波长的第一辐射。将输出反射器放置在基本与输入反射器平行的平面内，并将其设置成显著反射具有所关心波长的第二辐射。将周期性电介质放置在输入反射器和输出反射器之间，并且其包括第一表面和第二表面，每个表面均在与输入反射器基本平行的平面内。另外，周期性电介质包括具有在第一表面和第二表面之间的介电周期性的周期性结构。将该周期性结构设置成具有对于所关心波长的电磁辐射的负折射。周期性电介质的负折射将到达第一表面的第一辐射聚焦作为第二辐射在第二焦点位置。相似地，周期性电介质的负折射将到达第二表面的第二辐射聚焦作为第一辐射在第一焦点位置。

本发明的另一个实施例包括增强电磁辐射束的方法。该方法包括提供一种在所关心波长处具有负折射率的周期性电介质。该方法还包括将第一辐射向周期性电介质的第一表面反射而将第二辐射向周期性电介质的第二表面反射。该方法还包括通过从第一表面穿过周期性电介质达到第二表面的第一辐射将第二辐射聚焦在第二焦点位置。相似地，该方法还包括通过从第二表面穿过周期性电介质达到第一表面的第二辐射将第一辐射聚焦在第一焦点位置。

附图说明

虽然说明书及权利要求特别指出和明确要求了本发明的内容，但是从下面的描述并结合附图，可以更加容易地确定本发明的优点，在附图中：

图1A是描述在两种各向同性材料之间的界面处波传播方向的波矢量图；

图1B是描述在各向同性材料和具有负折射率的材料之间的界面处波传播方向的波矢量图；

图2示出穿过具有负折射率的材料的电磁辐射的聚焦性能；

图3A示出包括设置成具有三角点阵的2D光子晶体的典型周期性电介质的顶视图；

图3B示出包括设置成具有正方点阵的2D光子晶体的典型周期性电介质的顶视图；