[发明专利]一种超材料谐振装置

说明书

技术领域

本发明涉及超材料技术领域，尤其涉及一种超材料谐振装置。

背景技术

超材料是一种人工设计制作的亚波长周期性金属谐振结构材料。由于人工设计制作的超材料能够非常容易操控电磁波的响应，并获得自然介质不能获得的电磁波特性(如负折射、超透镜、隐身衣等)而受到人们的广泛重视。尤其是广泛报道研究的平面超材料在各种电磁波段(包括光波、太赫兹波及微波)器件、传感及光谱成像等领域具有非常重要的应用。

但对于平面超材料谐振器来说，由于其谐振是属于表面局域谐振模式(surface localized resonant mode)，因此，要限制谐振能量的泄漏，提高谐振Q(quality factor，品质因子，谐振峰中心频率除以谐振峰宽度，谐振宽度以FWHM(Full Width at Half Maxium)计算)值是一件十分困难的事情，从而使得如何提高谐振品质因子，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种超材料谐振装置，以提高超材料谐振装置的谐振品质因子。

为解决上述问题，本发明实施例提供了如下技术方案：

一种超材料谐振装置，包括：

平板波导，所述平板波导包括第一介质层、第二介质层以及位于所述第一介质层和第二介质层之间的第三介质层，其中，所述第一介质层和第二介质层的折射率均小于所述第三介质层的折射率；

位于所述平板波导表面的多个沿第一方向延伸的类光栅结构，所述类光栅结构由位于所述平板波导表面的超材料谐振单元构成；

其中，所述谐振单元至少包括一个金属谐振结构，且所述金属谐振结构的厚度大于集肤深度。

优选的，所述超材料谐振装置谐振波长满足：

光栅一级衍射条件：p(sinθ₁±sini)＝λ/n₁；

平板波导相位匹配条件：

其中，p为所述谐振单元的周期长度，即所述谐振单元沿第二方向的长度，所述第二方向垂直于所述第一方向；i和θ₁分别为入射电磁波的入射角和被类光栅衍射后的衍射角；λ为入射电磁波在真空中的波长，n₁,n,n₂分别为平板波导中第一介质层、第三介质层和第二介质层的折射率；d为第三介质层的厚度；θ为平板波导的导模角；φ_s为第三介质层与第一介质层界面上全反射相移；φ_c为第三介质层和第二介质层界面上全反射相移；N为导模阶数，为不小于零的整数。

优选的，所述谐振单元包括多个金属谐振结构，所述多个金属谐振结构至少包括第一金属谐振结构和第二金属谐振结构，且同一谐振单元中相邻金属谐振结构之间的距离h为p/m；其中，m为所述谐振单元沿第二方向包括的金属谐振结构的数量，所述相邻金属谐振结构之间的距离为相邻金属谐振结构中心之间沿第二方向投影的距离。

优选的，所述谐振单元包括多个金属谐振结构，所述多个金属谐振结构至少包括第一金属谐振结构和第二金属谐振结构，且同一谐振单元中相邻金属谐振结构的之间的距离h为p/m±△h；其中，m为所述谐振单元沿第二方向包括的金属谐振结构的数量，所述相邻金属谐振结构之间的距离为相邻金属谐振结构中心之间沿第二方向投影的距离。

优选的，△h的取值范围为【-0.20h-0.20h】。

优选的，所述谐振单元包括多个金属谐振结构，所述多个金属谐振结构至少包括第一金属谐振结构和第二金属谐振结构，且所述第一金属谐振结构至少具有一个第一开口，所述第二金属谐振结构至少具有一个第二开口。

优选的，所述第一金属谐振结构上第一开口所在的边与第二方向之间的第一夹角的取值范围为(0°，90°)；所述第二金属谐振结构上第二开口所在的边与第二方向之间的夹角的取值范围为(0°，90°)。

优选的，所述第一夹角的取值范围为(0°，20°)；所述第二夹角的取值范围为(0°，20°)。

优选的，所述第一金属谐振结构和第二金属谐振结构的形状相同或不同。

优选的，所述第一金属谐振结构和第二金属谐振结构的尺寸相同或不同。

优选的，所述第一介质层为空气层或半导体材料层或介质材料层或聚合物材料层；所述第二介质层为空气层或半导体材料层或介质材料层或聚合物材料层；所述第三介质层为半导体材料层、介质材料层或聚合物材料层。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：