[发明专利]基于透射型相位梯度超表面的人工表面等离激元耦合器

说明书

技术领域

本发明涉及等离激元技术领域，特别是涉及基于透射型相位梯度超表面的人工表面等离激元耦合器。

背景技术

表面等离激元(Surface Plasmon Polariton，SPP)是电磁倏逝场与电子振荡强烈耦合产生的、高度局域化在两种介质界面上的混合电磁模。由于其强表面局域化特性，表面等离激元具有许多奇异的电磁特性，例如亚波长传输特性、场增强特性、慢波特性、相位突变特性等。正是由于这些新颖的特性，表面等离激元在新型微波/光学器件、超分辨率成像、高灵敏度传感等方面具有重要的潜在应用价值，是近年来国内外学术界的热点问题之一。

由于通过自然界材料只能在光频段高效激发表面等离激元模式，最初关于表面等离激元的研究主要集中在光频段。随着研究的不断深入，表面等离激元研究逐渐拓展至微波频段，即人工表面等离激元SSpoof SPP)。目前一般通过人工周期结构来实现人工表面等离激元的激发，主要有三种技术途径：光栅结构、金属化结构表面、超表面。前两种技术途径都遇到效率低的问题。超表面是超材料的二维平面情形，是由亚波长结构单元阵列构成的人工结构化表面。由于其表面上的相位梯度，超表面可提供平行于其表面的“人工波矢”，能够实现对入射至其上电磁波传输方向的控制。特别地，当超表面提供的“人工波矢”大于入射电磁波的波矢时，可将入射电磁波高效耦合为沿超表面界面表面传播的人工表面等离激元。

然而，基于超表面产生的人工表面等离激元并非电磁波的本征模式，而是入射电磁波驱动下的受激态，在其耦合成表面波本征态前将经历严重的散射。幸运的是，方贴片阵列支持本征态人工表面等离激元传播，其色散关系可由贴片长度、介质厚度、介电常数等结构参数来调控。所以利用方贴片阵列，可以设计本征态的人工表面等离激元耦合器。然而目前基于超表面的表面等离激元耦合器大部分表现为窄带的，如何拓宽带宽仍然是当前亟需解决的问题。

发明内容

本发明实施例提供了基于透射型相位梯度超表面的人工表面等离激元耦合器，可以解决现有技术中存在的问题。

基于透射型相位梯度超表面的人工表面等离激元耦合器，包括相位梯度超表面和方贴片阵列，所述相位梯度超表面位于所述方贴片阵列正上方，二者之间具有间隙；相位梯度超表面由超表面结构单元组成，每个结构单元由三层金属结构和两层介质组成，其中上下层金属为相互正交的金属栅结构，中间层为斜置的双箭头结构；方贴片阵列由金属方贴片、介质基板和金属背板三部分组成。

优选地，所述相位梯度超表面和方贴片阵列之间的距离是h_c＝9mm。

优选地，所述单元结构的单元周期p＝6mm，两层介质采用厚度h＝3mm的F4B介质基板，其相对介电常数ε_r＝2.65，损耗角正切值tanδ＝0.001，金属栅结构周期s＝2mm及宽度b＝0.2mm，双箭头结构的长度l＝7.7mm、臂长d＝1.2mm及线宽g＝0.2mm。

优选地，采用5个子结构单元构成相位梯度超表面的超单元，相邻子结构单元间的相位差为72°，选取的5个子结构单元的中间层双箭头阵结构参数分别为：子结构单元1：l＝7.7mm，d＝1.2mm，g＝0.2mm；子结构单元2：l＝7.7mm，d＝2.6mm，g＝0.2mm；子结构单元3：l＝7.5mm，d＝3.55mm，g＝0.15mm；子结构单元4：l＝7.6mm，d＝2.3mm，g＝0.2mm；子结构单元5：l＝7.8mm，d＝3.0mm，g＝0.2mm。

优选地，所述方贴片阵列结构参数为：周期p＝6mm，贴片长度a＝5mm，采用的F4B介质基板的厚度为h₂＝2mm，介电常数ε_r＝2.65。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明通过结构单元参数渐变超表面构建了透射型相位梯度超表面，获得了宽带、高效的受激态表面波，通过借助方贴片阵列将受激态的表面波耦合为宽带、高效的本征态的人工表面等离激，具有更加广泛的应用前景。

2线极线极化旋转相位梯度超表面没有表现出平移对称性，所以传播波耦合为人工表面等离激元后，不会解耦回来。特别地，当产生的人工表面等离激元解耦回来后，将获得额外的由相位梯度超表面提供的“人工波矢”ζ，进一步增大了平行于表面的波矢，即k//＝ζ+k_spp>>k0，从而使表面波变得更加倏逝。