CN107037507A - 一种高品质因子的全介质超材料谐振装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高品质因子的全介质超材料谐振装置，包括基底和位于基底的上表面上的二维周期性介质谐振单元。基底由介质材料制作，每个介质谐振单元为横截面为矩形的介质条，介质条的长、宽和高满足以下条件：a≥2b,a≥2.5h,1.6a≤λ≤2.4a，其中，a、b、h分别表示介质条的长、宽、高，λ为谐振装置的谐振中心波长，介质谐振单元的介电常数大于基底的介电常数。在电磁波垂直于介质条的上表面入射且电场偏振方向垂直介质条的第一侧面的情况下，可产生Mie电、磁谐振，实现极高的Q值。

Description

一种高品质因子的全介质超材料谐振装置
技术领域
本发明涉及一种谐振装置，属于超材料技术领域。
背景技术
全介质超材料是一种人工设计制作的亚波长周期性介质谐振结构材料。由于全介质超材料能够非常容易操控电磁波的响应和极低的损耗，可以获得自然界介质不能获得的特性而受到广泛重视。目前在生物传感、隐身衣、负折射率、光子器件等领域具有非常重要的应用。
目前对金属超材料谐振器，由于金属的欧姆损耗和谐振辐射损耗使提高Q值(quality factory，品质因子，谐振峰中心频率除以谐振峰宽度，谐振宽度以FWHM(FullWidth at Half Maxium)计算)成为非常难以解决的问题。而全介质超材料可以克服金属损耗和辐射损耗，为实现高Q谐振提供了可能性。但目前高品质因子及实现高Q电磁谐振的全介质超材料设计方法还很少。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有高品质因子的全介质超材料谐振装置。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：本发明高品质因子的全介质超材料谐振装置包括基底和位于基底的上表面上的二维周期性介质谐振单元，所述基底由介质材料制作，每个所述介质谐振单元为横截面为矩形的介质条，所述介质条的长度、宽度和高度满足以下条件：a≥2b,a≥2.5h,1.6a≤λ≤2.4a，其中，a表示介质条的长度，b表示介质条的宽度，h表示介质条的高度，λ为所述谐振装置的谐振中心波长，所述介质谐振单元的介电常数大于基底的介电常数。
进一步地，入射电磁波与所述介质条的上表面垂直，且入射电磁波的电场偏振方向与所述介质条的第一侧面垂直，第一侧面的长度为a、宽度为h。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明的二维周期性介质谐振单元结构简单，由于介质条的横截面为矩形，当介质条的几何参数满足以下条件：a≥2b,a≥2.5h,1.6a≤λ≤2.4a(a、b、h分别表示介质条的长度、宽度、高度，λ为所述谐振装置的谐振中心波长)并且谐振单元的介电常数高于基底时，若入射电磁波与介质条的上表面垂直，且入射电磁波的电场偏振方向与介质条的第一侧面垂直，能够产生Mie高阶电磁谐振，获得很高的谐振品质因子。本发明实现了在传感、滤波及光纳米器件等方面的重要应用。
附图说明
图1为本发明高品质因子的全介质超材料谐振装置的一种结构示意图。
图2为图1的俯视图。
图3为图1的左视图。
图4为本发明全介质超材料谐振装置在入射电磁波的电场偏振方向为X方向的情况下由有限元算法计算得到在580纳米—740纳米的透射率谱曲线。
图5为本发明全介质超材料谐振装置在介质条的高度和宽度固定，长度变化时，入射电磁波的电场偏振方向为X方向的情况下由有限元法计算得到在585纳米—740纳米的透射率谱曲线。
图6为本发明全介质超材料谐振装置在介质条的高度和长度固定，宽度变化时，入射电磁波的电场偏振方向为X方向的情况下由有限元法计算得到在585纳米—780纳米的透射率谱曲线。
具体实施方式
以下结合附图进一步详细说明本发明全介质超材料谐振装置的结构。
如图1至图3所示，本发明全介质超材料谐振装置包括基底21和位于基底21的上表面上的二维周期性介质谐振单元。基底21由介质材料制作而成。所谓二维周期性介质谐振单元是由多个介质谐振单元按二维周期性分布构成(参见图2)。在本发明中，每个介质谐振单元为一介质条12，该介质条12的横截面为矩形。具体地说，如图1至图3所示，若以a表示介质条12的长度，b表示介质条12的宽度，h表示介质条12的高度，则介质条12的横截面的长度为a、宽度为b。并且，介质条12的长度、宽度和高度满足以下条件：a≥2b,a≥2.5h,1.6a≤λ≤2.4a，其中，λ为本发明全介质超材料谐振装置的谐振中心波长。此外，在本发明中，介质谐振单元的介电常数大于基底21的介电常数。
如图3所示，本发明全介质超材料谐振装置使用时，入射电磁波朝着介质条12的上表面射入，并且与介质条12的上表面垂直，且入射电磁波的电场偏振方向与介质条12的第一侧面121垂直。如图3所示，第一侧面121的长度为a、宽度为h。在图1和图2中，第一侧面121为介质条12的左侧面。需要说明的是，如图1至图3所示，入射电磁波的电场偏振方向与介质条12的第一侧面121垂直是指入射电磁波的电场偏振方向与X轴方向相同。图3中，K为波矢，即为入射电磁波的传播方向，E为电场偏振方向，H为磁场偏振方向。
以下以基底21的材料为石英、介质条12为硅条为例对本发明全介质超材料谐振装置作进一步的说明。
在本实施例中，硅条的介电常数为11.9，硅条的长度a为340纳米、宽度b为150纳米、高度h为100纳米。基底21的材料为石英，其折射率n为1.46(介电常数为2.1316)。如图2所示，在本实施例中，四个硅条构成二维周期性介质谐振单元，其中，沿Y轴方向的周期长度Py为440纳米，沿X轴方向的周期长度Px为400纳米。
将本实施例获得的全介质超材料谐振装置用有限元法计算得到在580纳米—740纳米范围的透射率谱图(如图4所示)。从图4中可以看出，在中心波长为594纳米和674.5纳米处各有一个谐振，即为介质Mie谐振。由Mie谐振理论和电磁场空间矢量图(未示出)可以判断，该两个谐振分别为Mie磁偶极谐振和电偶极谐振。其中，594纳米处磁谐振的Q值较低，为44，对谐振单元的几何参数不敏感；674.5纳米处电谐振的Q值较高，为218，受介质谐振单元的几何参数(如介质条的长、宽等几何参数)的影响较大。
图5为本实施例获得的全介质超材料谐振装置在介质条12的高度(100nm)和宽度(150nm)固定，而长度变化时，入射电磁波的电场偏振方向与介质条12的第一侧面121垂直(即沿着X轴方向)的情况下由有限元法计算得到在585纳米—740纳米的透射率谱曲线。从图5中可以看出，本实施例获得的全介质超材料谐振装置在中心波长590纳米～610纳米范围内为磁谐振，670纳米～720纳米范围内为电谐振；并且，本实施例获得的全介质超材料谐振装置的谐振中心波长随介质条12的长度增大而变大，其中电谐振的Q值随介质条12的长度的变化而有较大的变化。
表1中示出了在硅条的宽度和高度不变时，本实施例获得的全介质超材料谐振装置的电谐振中心波长和品质因子随硅条长度的变化而发生变化。
表1
由表1可以看出，本实施例获得的全介质超材料谐振装置当介质谐振单元的长度a从340纳米增大到430纳米时，相应的电谐振品质因子从218增大至25660，且介质谐振单元的长度a越接近Py时，电谐振Q值越大。
图6为本实施例获得的谐振装置在介质谐振单元的高度(100nm)和长度(420nm)固定，而宽度变化时，入射电磁波E的电场偏振方向为X轴方向的情况下，由有限元法计算得到在585纳米—780纳米的透射率谱曲线。从图6中可以看出，全介质超材料谐振装置在580纳米—630纳米范围内为磁谐振，在670纳米—760纳米范围内为电谐振，其中，全介质超材料谐振装置的谐振中心波长随着介质谐振单元的宽度的变化而变化，且电谐振Q值的变化较大，可以实现很高Q值。
表2中示出了硅条在不同宽度时，全介质超材料谐振装置的电谐振中心波长和品质因子的变化。
表2
b(纳米) λ(纳米) 电谐振Q值
120 656.5 12100
130 676.7 8800
140 697.7 7270
150 718.3 6080
160 737.9 5150
170 756 4560
由表2可以看出，当介质谐振单元的宽度变小时，全介质超材料谐振装置的电谐振品质因子变大；当介质谐振单元的宽度为120纳米时，全介质超材料谐振装置的电谐振品质因子为12100，已具有极高的电谐振品质因子。
由上可知，本发明全介质超材料谐振装置通过改变介质条12的长、宽、高等几何参数，可以在不同程度上调节电谐振中心波长的大小和电谐振品质因子的大小，获得极高的电谐振品质因子。本发明高品质因子的全介质谐振装置可以应用于滤波器、超灵敏传感器、负折射率等领域，用于制作光波段、太赫兹及微波等波段的高性能器件和超灵敏度传感器等。

Claims (2)

1.一种高品质因子的全介质超材料谐振装置，其特征在于：包括基底和位于基底的上表面上的二维周期性介质谐振单元，所述基底由介质材料制作，每个所述介质谐振单元为横截面为矩形的介质条，所述介质条的长度、宽度和高度满足以下条件：a≥2b,a≥2.5h,1.6a≤λ≤2.4a，其中，a表示介质条的长度，b表示介质条的宽度，h表示介质条的高度，λ为所述谐振装置的谐振中心波长，所述介质谐振单元的介电常数大于基底的介电常数。
2.根据权利要求1所述的高品质因子的全介质超材料谐振装置，其特征在于:入射电磁波与所述介质条的上表面垂直，且入射电磁波的电场偏振方向与所述介质条的第一侧面垂直，第一侧面的长度为a、宽度为h。
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