[发明专利]一种基于面激元辐射模式的表面沟槽结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种能实现高效聚束(beaming)效应的表面沟槽结构的设计方法，特别涉及一种基于面激元辐射模式的表面沟槽结构。

背景技术

近来，H.J.Hezec等学者在可见光波段发现在亚波长小孔(狭缝)周围加载环型(一维)周期沟槽结构时，也能实现光能量的异常透射。不仅如此，其透过光束的传输方向也可以得到有效的控制，发射角非常小，仅为3°-5°，呈现出明显的beaming效应。而根据衍射理论，当小孔的直径小于入射光波长时，其透射光在各个角度的能量应该是均匀的，而这两种奇特现象确实让人难以想象，引发了国际上许多研究小组对对其奇异电磁效应基本原理的研究热潮，并且与该现象相关的应用研究也如火如荼的地展开。后来这种表面沟槽结构被拓展到了太赫兹，微波波段，人们先后验证了加载沟槽结构后电磁能量的异常透射和beaming效应现象的存在。由于沟槽结构对表面电磁能量的调制，使其在沟槽表面得到了重新分布，在沟槽处存在着相对较高的电磁能量。这些能量在沟槽结构的作用下会二次向自由空间辐射，通常被人们称为次级辐射源。次级辐射源辐射出的能量与直接透过亚波长孔径(狭缝)的能量在远场相干叠加，从而实现了beaming效应。

目前这种表面周期沟槽结构，其沟槽周期约等于波长，需要数个周期排布的沟槽才能产生beaming效应，从而使得整个沟槽结构尺寸很大，口径利用率较低。因此需要迫切设计一种普适的、紧凑型的、高辐射性能的表面沟槽结构。

发明内容

本发明要解决的技术问题：克服现有技术的不足，提供一种基于面激元辐射模式的表面沟槽结构，具有高辐射性能，且结构紧凑。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于面激元辐射模式的表面沟槽结构，步骤如下：

(1)确定表面沟槽结构实现聚束(beaming)效应的工作频率f，波长为λ；

(2)选择金属板，所述金属板的厚度为h，h的大小满足实际加工要求：对于仅出射面加载沟槽结构时，λ＞h＞gd；对于出射面与入射面同时加载沟槽结构时，λ＞h＞2×gd；gd为沟槽的深度；

(3)在所述金属板的中央开一亚波长孔，孔的半径r＜0.5λ，或开一狭长缝隙，缝隙宽度w＜0.2λ，采用平面波对该孔或狭长缝隙进行激励；

(4)对于亚波长孔径的金属板而言，在孔的出射面或同时在入射面和出射面的亚波长孔径周围排布N个环形周期沟槽结构；而对于狭长缝隙的金属板而言，在狭长缝隙出射面或同时在入射面和出射面的狭长缝隙两端对称排布N个周期沟槽结构；上述两种情况中，沟槽的周期为gp，深度为gd，宽度为gw，第一个沟槽距离金属缝隙中央的距离为gp₁；所述沟槽周期gp为0.4λ-0.75λ，沟槽深度gd为0.05λ-0.25λ，沟槽宽度gw为0.05λ-0.15λ，第一个沟槽距离金属缝隙中央的距离gp₁＜0.6λ；

(5)在相邻沟槽结构之间加载介电常数为ε，厚度为t的介质；此时基于面激元辐射模式的表面沟槽结构设计完成。设计出的沟槽结构通过对表面电磁波的调制，使得相邻沟槽间的平面处聚集了相对较强的能量，这些能量在沟槽结构的作用下，会二次向自由空间辐射，因此称这种辐射为面激元辐射模式；

(6)根据所设计沟槽结构的尺寸，选择适当的加工手段。对于微米纳米级的沟槽结构，需要采用微纳加工技术进行制作，对于毫米或更大尺寸的沟槽结构，可以利用数控线切割或数控铣床加工及印刷电路板制版技术进行制作。

所述步骤(2)中的金属板为银或铝，在微米纳米级加工时采用银，在毫米或以上尺寸加工时采用铝。金属板的形状为正方形或矩形。

所述平面波激励的电场偏振方向与沟槽长度方向垂直。

所述步骤(4)中的沟槽周期数目N为大于1的整数，并且N越大，能够激发出的表面电磁波就越多，从而能够调制更多的表面波并使其二次辐射出去，但N值太大，边沿处的沟槽结构发挥的作用很小，几乎可以忽略，并且还容易造成整个沟槽结构尺寸较大，因此N值选择适当即可，一股可为5＜N＜20。

所述步骤(5)中的介质的介电常数ε取值为6-15；

所述的介质在沟槽结构尺寸为微米纳米级时，采用硅，厚度为t＜0.15λ；在沟槽结构尺寸为毫米或以上尺寸时，采用微波板材，厚度t＜0.15λ。

本发明与现有技术的相比所具有的优点在于：

(1)本发明的这种表面沟槽结构与传统的表面沟槽结构相比，口径明显减小，并且出射面沟槽表面具有不同的表面电场谐振模式，该谐振模式有助于该沟槽结构实现更高的定向辐射性能，且结构紧凑；