[发明专利]一种基于回音壁模的电磁波聚焦器

说明书

技术领域

本发明涉及一种聚焦器，尤其是一种采用介质谐振微腔的电磁聚焦器。 

背景技术

当电磁波在圆环、圆盘等介质谐振微腔内表面经多次反射形成闭环后，能够产生回音壁模式(WG模：Whispering Gallery Mode)。WG模介质谐振器具有Q值高、结构紧凑和易于集成等优点，在传感和光学集成电路等领域具有广泛应用。WG模传感器利用了被测物质与介质谐振微腔表面消逝场的相互作用来实现对微量生物和化学样品的检测。在介质谐振器表面覆盖高折射率材料、多孔隙材料或者是折射率呈梯度变化的材料，都是通过增强消逝场与物质的相互作用改善传感器灵敏度的方法。此外，将介电常数和/或磁导率为-1的超材料附着于介质谐振微腔表面，能够达到增强消逝场和提高传感器灵敏度的目的。然而，自然界中不存在超材料，通过人工合成的方法在宽带范围内获得特定介电常数和磁导率的超材料比较困难。因此，发明一种能够将电磁能量汇聚于特定区域的聚焦器，增强场与物质的相互作用对提高传感器灵敏度和实现微弱信号检测具有重要意义。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种基于回音壁模的电磁聚焦器，它能够将电磁能量集中于微谐振腔中心，实现高效的电磁能量聚焦和微弱信号检测。 

为达到上述目的，本发明的技术方案为：一种基于回音壁模的电磁聚焦器，包括环形介质微腔谐振器、介质波导和弧形金属光栅。 

进一步地，所述环形介质微腔谐振器为圆形、椭圆形或多边形等闭合结构，其材料为硅、氧化硅等材料；所述介质波导材料与环形介质微腔谐振器相同，耦合距离根据环形谐振器结构、尺寸及工作频率可调；介质波导将电磁波能量耦合到环形谐振器内，形成回音壁模式。 

进一步地，所述弧形金属光栅置于环形介质微腔谐振器内侧，其介电常数满足Drude色散特性：                                                   ，其中，为等离子体频率，   为碰撞频率，为工作频率，当   时，。 

本发明利用了弧形金属光栅够提高电磁波透过率以及负介电常数材料放大消逝场的特性，将材料介电常数满足Drude色散特性的弧形金属光栅置于介质微腔谐振器内侧，达到了电磁聚焦效果。 

附图说明

图1是本发明一种基于回音壁模的电磁聚焦器结构示意图。 

图2是本发明一种基于回音壁模的电磁聚焦器磁场分布仿真结果。 

图3是本发明一种基于回音壁模的总能量密度分布仿真结果。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。 

如图1所示为一种基于回音壁模的电磁聚焦器结构示意图，该聚焦器包括：环形介质微腔谐振器①、介质波导②和弧形金属光栅③。本实施例中，环形介质微腔谐振器外半径R₁=2.5μm，内半径R₂=2.2μm，材料为二氧化硅，介质波导宽度w=0.3μm，长度L=6.5μm，耦合距离g=0.135μm；弧形金属光栅外半径R₃=2.17μm，内半径R₄=2.14μm，周期θ=15^o，光栅宽度θ’=10^o，材料为金，色散特性满足，其中，Hz ， Hz；工作频率为Hz 。 

利用COMSOL Multiphysics软件仿真本发明一种基于回音壁模的电磁聚焦器性能，磁场分布和总能量密度分布仿真结果见图2和图3所示。由图2可以看出，在环形介质微腔谐振器中，形成了回音壁模，其模式数为24，磁场强度最大值位于谐振器中心；由图3可以看出，在谐振器中心总能量密度最大，达到了电磁聚焦效果，增强了场与物质的相互作用。 

上面结合附图对本发明的实施进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出许多形式，这均属于本发明的保护之内。