一种实现空间波与太赫兹人工表面等离激元波转换的装置

摘要

本发明公开了一种实现空间波与太赫兹人工表面等离激元波转换的装置，包括介质衬底和固定连接在介质上且形成镜像关系的两个金属片；所述金属片上设有周期排列的凹槽，所述凹槽的深度从金属片两端至中间逐渐增加，增至特定值后保持不变，同时凹槽的宽度均相等；所述金属片的一端设置有缝隙，所述缝隙由后端向前端以指数形式变大，直至超过金属片宽度。本发明基于新型人工电磁材料，可以在较宽的频率和较大的角度范围内实现太赫兹空间波与SPP波的有效转换，且具有尺寸小、重量轻、可弯折等优点，因此在太赫兹功能器件方面具有很好的应用前景。

说明书

技术领域

本发明是一种用于太赫兹频段的空间波与人工表面等离激元的转换装置，属于新型 人工电磁材料领域。

背景技术

表面等离激元(SPP)是一种特殊的表面电磁波模式，在光波段其通常存在于金属― 介质的分界面(或金属―空气界面)。这种电磁波产生的基本原理是：在光波段，金属 与介质的介电常数相异号，入射到金属―介质界面的电磁波无法穿透金属，而只能局域 在界面上并沿着界面传播。随着新型人工电磁材料(Metamaterials)的广泛研究，人 工设计的金属周期结构可以实现甚低频率下(如微波)的等离子体共振和负介电常数的 特性，基于这种特殊的结构可以获得工作在较低频段的的人工表面等离激元(SSPP)。 SSPP除了具有与光频SPP相同的特点，诸如显著的场局域和场增强特性，更重要的是其 电磁特性可以直接通过结构的几何参数来调控。在微波频段和太赫兹频段，基于SSPP 的波导、功分器和耦合器等一系列新型电磁器件相比于传统的微波器件具有尺寸小、低 损耗和低串扰等优势，因此在电路和信号传输等方面具有重要的应用前景。

SSPP波是一种束缚表面波模式，其波动量大于自由光子的动量。因此很难直接用空 间电磁波直接激励起SSPP波。尤其在设计SSPP功能器件时，空间波或导波与SPP波的 高效转换是一个非常关键的技术难点。在微波频段，可以利用一种基于共面波导的过渡 结构进行馈电，从而进一步激励产生SPP波，由此实现由导波与SPP波的高效转换。而 在太赫兹频段，由导波向共面波导模式转变的方式不易实现，容易造成结构的累赘。尤 其是在太赫兹时域光谱系统中，太赫兹辐射源是空间平面波，因为波动量失配，空间波 很难耦合入SPP波导之中。因此空间波直接转换为SPP波的效率非常低，这在很大程度 上限制了太赫兹SSPP器件的开发和应用。太赫兹技术是电磁场和电磁波领域的一个热 门方向，如果能够设计一种新型太赫兹器件，可以实现空间波与SPP波的有效转换，这 可以开创太赫兹SSPP功能器件这个新的领域，并将在很大程度上促进太赫兹技术的发 展。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种实现太赫兹空间波与 人工表面等离激元转换的装置。这种装置由人工设计的金属结构和介质衬底构成，可以 在较宽的频率和较大的角度范围内实现太赫兹空间波与SSPP波的有效转换，且具有尺 寸小、重量轻、可弯折等优点。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种实现空间波与太赫兹 人工表面等离激元波转换的装置，包括介质衬底和固定连接在介质上且形成镜像关系的 两个金属片；所述金属片上设有周期排列的凹槽，所述凹槽的深度从金属片两端至中间 逐渐增加，增至特定值后保持不变，同时凹槽的宽度均相等；所述金属片的一端设置有 缝隙，所述缝隙由后端向前端以指数形式变大，直至超过金属片宽度。

优选的：以两个金属片的对称轴为x轴，垂直于x轴的直线为y轴，以两个金属片 曲线部分右端的连线与x轴的交点为原点，建立坐标系，则位于负y轴上的金属片上缝 隙对应指数函数方程为：其中d和h分别是金属片曲线部分的 宽度和高度，s是两金属片之间狭缝的距离，c为常数，曲线经过定点(-d,-h-s/2)和 (0,-s/2)；而位于正y轴上的金属片上缝隙对应指数函数方程为：其中d和h分别是金属片曲线部分的宽度和高度，s是两金属片之间狭缝的距离，曲线 经过定点(-d,h+s/2)和(0,s/2)。

优选的：所述凹槽的周期p＝65-85um；所述凹槽的深度在40-60um；所述凹槽的槽 缝宽10-14um。

优选的：所述介质衬底采用柔性罗杰斯5880板。

有益效果：本发明提供的一种实现空间波与太赫兹人工表面等离激元波转换的装 置，相比现有技术，具有以下技术效果：

1.本发明可以实现空间波与太赫兹人工表面等离激元的有效转换，相对于传统的材料 与器件，本发明极大地提高了空间波与SPP波之间的转换效率。

2.本发明尺寸小、易于集成。该结构基于新型人工电磁材料，其单元具有亚波长特点， 因此相比于传统的微波材料尺寸小很多，容易实现集成化。

3.本发明以柔性的罗杰斯5880板为衬底，在其上面制备了超薄的金属结构，因此相比 于传统的超材料器件具有可弯折、超薄、重量轻等优点。

4.本发明具有宽工作角度的特点。该结构对于水平入射和斜入射的太赫兹平面波均具 有较好的接收效果，且可以有效转换为SPP波，因此工作角度范围较宽，有更好的 应用前景。

附图说明

图1装置结构图。

图2太赫兹波水平入射时的电场分布图，其中监测频率为0.6THz，监测位置高于 结构表面距离15微米。

图3是太赫兹波斜入射时(入射面在x-y平面)的电场分布图，其中入射角θ为 45°。

图4是太赫兹波斜入射时(入射面在x-z平面)的电场分布图，其中入射角φ为 45°。

其中，1为第一金属片，2为第二金属片，3为凹槽，4为缝隙。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

一种实现空间波与太赫兹人工表面等离激元波转换的装置，如图1所示，包括介质 衬底和固定连接在介质上且形成镜像关系的两个金属片；所述介质衬底采用柔性罗杰斯 5880板。该两个金属片分别为第一金属片1和第二金属片2；金属片上设有周期排列的 凹槽3，所述凹槽3的深度从金属片两端至中间逐渐增加，增至特定值后保持不变，同 时凹槽的宽度均相等；所述金属片的一端设置有缝隙4，所述缝隙4由后端向前端以指 数形式变大，直至超过金属片宽度。

以两个金属片的对称轴为x轴，垂直于x轴的直线为y轴，以两个金属片曲线部分 右端的连线与x轴的交点为原点，建立坐标系，则位于负y轴上的金属片上缝隙对应指 数函数方程为：其中d和h分别是金属片曲线部分的宽度和高 度，s是两金属片之间狭缝的距离，c为常数，曲线经过定点(-d,-h-s/2)和(0,-s/2)； 而位于正y轴上的金属片上缝隙对应指数函数方程为：其中d和 h分别是金属片曲线部分的宽度和高度，s是两金属片之间狭缝的距离，曲线经过定点 (-d,h+s/2)和(0,s/2)。

所述凹槽的周期p＝65-85um；所述凹槽的深度在40-60um；所述凹槽的槽缝宽 10-14um。

实例1

如图2所示，在低损耗的柔性罗杰斯5880介质基板上，通过显微光刻方法制备金 属开槽结构，其单元尺寸如下：结构横向周期p＝75um；结构纵向宽度为1412um；中 间槽缝宽12um；结构中的缺陷宽25um，高为50um。第一金属片对应指数函数方程为： 其中d＝1976um，h＝812um，s＝12um，c＝3。。第二金属片与第一金 属片关于x轴对称。CST微波工作室仿真结果显示(监测频率为0.6THz，监测位置离 结构表面距离15微米)，当太赫兹平面波沿水平方向入射时，可以有效激发SPP波。

实例2

如图3所示，在低损耗的柔性罗杰斯5880介质基板上，通过显微光刻方法制备金 属开槽结构，其单元尺寸如下：结构横向周期p＝75um；结构纵向宽度为1412um；中 间槽缝宽12um；结构中的缺陷宽25um，高为50um。第一金属片对应指数函数方程为： 其中d＝1976um，h＝812um，s＝12um，c＝3。第二金属片与第一金 属片关于x轴对称。CST微波工作室仿真结果显示(监测频率为0.6THz，监测位置离 结构表面距离15微米)，当平面波沿斜方向入射，即入射面处于x-y平面且电场同时具 有x和y方向的分量时(入射角θ为45°)，该结构仍可以实现空间波与SPP波的有效转 换。

实例3

如图4所示，在低损耗的柔性罗杰斯5880介质基板上，通过显微光刻方法制备金 属开槽结构，其单元尺寸如下：结构横向周期p＝75um；结构纵向宽度为1412um；中 间槽缝宽12um；结构中的缺陷宽25um，高为50um。第一金属片对应指数函数方程为： 其中d＝1976um，h＝812um，s＝12um，c＝3。。第二金属片与第一金 属片关于x轴对称。CST微波工作室仿真结果显示(监测频率为0.6THz，监测位置离 结构表面距离15微米)，当入射面处于x-z平面(入射角φ为45°)，电场沿y方向时， 该结构也可以将接受平面波并将其转换为SPP波。

由上述可知，本实施例其结构主要由柔性的罗杰斯RT5880介质基片和通过显微光 刻方法制备的金属结构组成，其中金属结构左端具有类似于维瓦尔第天线结构，可以有 效接收太赫兹平面波，而右侧的金属开槽结构是一种可以支持SPP波传播的波导。

本实施例通过CST微波工作室模拟了图1所示结构的空间波―SPP波转换效率，其 中监测频率为0.6THz，监测位置离结构表面距离15微米。如图2所示，当入射平面波 沿x方向入射且电场方向为y方向时，可以有效激励SPP波。在图中可以清晰观察到开 槽结构中的场局域和场增强现象，符合SPP波的特征，且传至结构右端的SPP波衰减并 不明显，因此该结构具有损耗小的优良特性。当平面波沿斜方向入射，即入射面处于x-y 平面且电场同时具有x和y方向的分量时，该结构仍可以感应到空间波在y方向上的分 量，因此仍旧可以实现空间波与SPP波的有效转换。图3给出了入射角θ为45°时的电 场分布图，图中金属槽附近依旧可以观察到SPP波特征。图4的电场分布如图表明，当 入射面处于x-z平面(入射角φ为45°)，电场沿y方向时，该结构也仍旧可以将接受 平面波并将其转换为SPP波。

经过系统的模拟仿真可知，该结构可以在较宽的角度范围内(θ：–45°～45°，φ： 0～45°)实现太赫兹空间波与SPP波的有效转换，且有一定的工作频宽。该特点使其在实 际应用下有更大的发展前景。

由上可知，本发明的结构基于新型人工电磁材料，可以在较宽的频率和较大的角度 范围内实现太赫兹空间波与SPP波的有效转换，且具有尺寸小、重量轻、可弯折等优点， 因此在太赫兹功能器件方面具有很好的应用前景

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。