一種全介質(zhì)超材料類EIT諧振裝置制造方法及圖紙

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種全介質(zhì)超材料類EIT諧振裝置，包括平板波導和二維周期性介質(zhì)諧振器，所述平板波導包括第一介質(zhì)層，所述二維周期性介質(zhì)諧振器由置于第一介質(zhì)層的上表面且呈二維周期性分布的長方體介質(zhì)條構(gòu)成，所述長方體介質(zhì)條的折射率大于所述第一介質(zhì)層的折射率。二維周期性介質(zhì)諧振器本身具有諧振特性，根據(jù)Mie諧振原理可以產(chǎn)生一系列的Mie諧振。另外，二維周期性介質(zhì)諧振器又具有類光柵作用，可使入射波發(fā)生衍射并與平板波導導模耦合。通過操控Mie諧振和導模諧振的相互作用，可以產(chǎn)生類EIT效應(yīng)。使用本發(fā)明專利技術(shù)所述的全介質(zhì)超材料類EIT諧振裝置，可以實現(xiàn)高品質(zhì)因子諧振和高諧振強度，從而得到高的群折射率。

A full dielectric metamaterial EIT resonant device

The invention discloses a full media material class EIT resonant device, including planar waveguide and two-dimensional periodic dielectric resonator, the planar waveguide includes a first dielectric layer, wherein the two-dimensional periodic dielectric resonator which is arranged in a first dielectric layer on the surface of a cuboid and a medium of two-dimensional periodic distribution of the the rectangular strip refractive index is larger than the first medium layer rate. The two-dimensional periodic dielectric resonator has resonant characteristics, and a series of Mie resonances can be generated according to the Mie resonance principle. In addition, the two-dimensional periodic dielectric resonator has the function of grating, which can cause the incident wave to be diffracted and coupled with the guided mode of the planar waveguide. By manipulating the interaction of the Mie resonance and the guided mode resonance, a class EIT effect can be generated. By using the full dielectric metamaterial EIT resonant device, high quality factor resonance and high resonance strength can be realized, thereby obtaining a high group index of refraction.

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種全介質(zhì)超材料類EIT諧振裝置
本專利技術(shù)屬于超材料
，尤其涉及超材料類EIT(電磁誘導透明)諧振裝置。
技術(shù)介紹
超材料是一種人工設(shè)計制作的亞波長周期性諧振結(jié)構(gòu)材料，由于可以獲得自然界介質(zhì)不能獲得的特性，在負折射率、隱身衣、傳感、濾波器件等領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用。與金屬超材料相比，全介質(zhì)超材料由于沒有金屬歐姆損耗的影響，可以獲得更高的諧振品質(zhì)因子和諧振強度。電磁誘導透明(EIT)是一種重要的物理現(xiàn)象，由多原子系統(tǒng)中的能級間干涉而產(chǎn)生。這種EIT現(xiàn)象具有強色散的特點，因此在這個區(qū)域伴隨著很大的群折射率，可實現(xiàn)電磁波調(diào)控、降低光速、進行光的操作和存儲等。超材料的類EIT效應(yīng)是指通過超材料模擬原子系統(tǒng)實現(xiàn)的類似電磁誘導透明的現(xiàn)象。此效應(yīng)需要由半高寬一寬一窄的兩個諧振相互耦合來產(chǎn)生。因此在超材料的一個諧振周期內(nèi)需要存在兩個諧振單元。這些諧振單元一般都是二維金屬結(jié)構(gòu)。但是由于金屬損耗的存在，超材料諧振裝置的Q值(qualityfactory，品質(zhì)因子，諧振峰中心波長除以諧振峰半高全寬)和諧振強度無法同時提高，嚴重限制了超材料類EIT諧振裝置在各個方面的應(yīng)用。平板波導的導模(傳輸模式)具有較窄的半高寬，可以取代窄帶諧振單元，簡化結(jié)構(gòu)并避免部分金屬損耗。由二維周期分布的金屬線條和平板波導構(gòu)建的類EIT諧振裝置由于結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計和制作都比較方便，是產(chǎn)生類EIT現(xiàn)象的首選方案之一。但是其仍然無法完全避免金屬損耗對Q值的影響。因此如何同時提高Q值和諧振強度，進而提高群折射率(groupindex)、增強電磁波與物質(zhì)相互作用成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的問題。專利技術(shù)內(nèi)容本專利技術(shù)的目的是提供一種全介質(zhì)超材料類EIT諧振裝置，其諧振品質(zhì)因子得到大幅提高，同時保持了高的諧振強度，為高群折射率的實現(xiàn)提供了更加可行的方案。為實現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)所采取的技術(shù)方案是：本專利技術(shù)的一種全介質(zhì)超材料類EIT諧振裝置包括平板波導和二維周期性介質(zhì)諧振器，所述平板波導包括第一介質(zhì)層，所述二維周期性介質(zhì)諧振器由置于第一介質(zhì)層的上表面且呈二維周期性分布的長方體介質(zhì)條構(gòu)成，所述長方體介質(zhì)條的折射率大于所述第一介質(zhì)層的折射率。本專利技術(shù)的另一種全介質(zhì)超材料類EIT諧振裝置由平板波導和二維周期性介質(zhì)諧振器組成，所述平板波導包括第一介質(zhì)層，所述二維周期性介質(zhì)諧振器由置于第一介質(zhì)層的上表面且呈二維周期性分布的長方體介質(zhì)條構(gòu)成，所述長方體介質(zhì)條的折射率大于所述第一介質(zhì)層的折射率。進一步地，本專利技術(shù)所述平板波導還包括第二介質(zhì)層，且第二介質(zhì)層的折射率小于第一介質(zhì)層的折射率，所述第一介質(zhì)層置于第二介質(zhì)層的上表面。進一步地，所有長方體介質(zhì)條的寬邊均與入射電磁波的偏振方向平行，所有長方體介質(zhì)條的長邊均與入射電磁波的偏振方向垂直。進一步地，本專利技術(shù)所述長方體介質(zhì)條的長度和寬度分別滿足以下條件：n·a＝1.95λ,0.74λ≤n·b≤1.19λ，其中，a表示長方體介質(zhì)條的長度，b表示長方體介質(zhì)條的寬度，n表示長方體介質(zhì)條的折射率，λ表示入射電磁波在真空中的波長。進一步地，本專利技術(shù)所述長方體介質(zhì)條的寬度滿足以下條件：n·b＝1.19λ。進一步地，本專利技術(shù)所述平板波導的第一介質(zhì)層的厚度和折射率滿足以下公式(1)和(2)所示的條件：P(sinθ+sini)＝λ/n1(1)其中，P為長方體介質(zhì)條在Y軸方向的分布周期，i表示入射電磁波的入射角，θ表示入射電磁波的光柵衍射角，λ為入射電磁波在真空中的波長，d表示第一介質(zhì)層的厚度，n1為第一介質(zhì)層的折射率，2Φc是第一介質(zhì)層上表面的全反射相移，2Φs為第一介質(zhì)層下表面的全反射相移，N是導模階數(shù)，N為不小于零的整數(shù)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)具有以下優(yōu)點：本專利技術(shù)的全介質(zhì)超材料類EIT諧振裝置同時具有極高的Q值和諧振強度。諧振裝置由平板波導和二維周期性介質(zhì)諧振器分別提供窄帶諧振和寬帶諧振，完全避免了傳統(tǒng)金屬諧振器中的損耗影響，使產(chǎn)生的類EIT諧振同時具有高Q值和高諧振強度。進一步地，相比于其他形狀的介質(zhì)諧振器，二維周期性介質(zhì)諧振器中的長方體介質(zhì)條能產(chǎn)生半高寬較寬的Mie散射諧振，使產(chǎn)生的類EIT諧振的Q值和諧振強度進一步提高。本專利技術(shù)全介質(zhì)超材料類EIT諧振裝置，其Q值可達104量級，透過率接近100％。高的諧振Q值實現(xiàn)了高群折射率，配合高透過率，使其在濾波器、高靈敏度傳感及慢波器件等方面具有重要應(yīng)用。附圖說明圖1為二維周期性介質(zhì)諧振器中的長方體介質(zhì)條呈兩個周期的全介質(zhì)超材料類EIT諧振裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖1的俯視圖。圖3為圖1所示的實施例中，按照有限元法計算得到的在625～660納米波段內(nèi)二維周期性介質(zhì)諧振器自身的透過率譜曲線。圖4為圖1所示的實施例中，按照有限元法計算得到的在625～660納米波段內(nèi)全介質(zhì)超材料類EIT諧振裝置的透過率譜曲線。圖5為圖1所示的實施例中，全介質(zhì)超材料類EIT諧振裝置在類EIT諧振波長附近計算得到的群折射率曲線。具體實施方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本專利技術(shù)的技術(shù)方案作詳細的說明。但是本專利技術(shù)能夠以多種不同于本實施例的其它方式來實施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本專利技術(shù)內(nèi)涵的情況下做類似推廣，因此本專利技術(shù)不受下面公開的具體實施例的限制。在以下實施例中，工作于光波段637.7納米波長的諧振裝置，入射電磁波正入射，偏振狀態(tài)為線偏光。在以下實施例中，采用本專利技術(shù)的全介質(zhì)超材料類EIT諧振裝置，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。諧振裝置包括平板波導和二維周期性介質(zhì)諧振器2。其中，作為本專利技術(shù)的其中一種實施例，平板波導可只有一層介質(zhì)層，即第一介質(zhì)層11，平板波導1置于空氣中，第一介質(zhì)層的折射率n1大于空氣的折射率。本專利技術(shù)的平板波導可以有兩層或兩層以上的介質(zhì)層。在本實施例中，如圖1所示，除了第一介質(zhì)層11外，平板波導還包括第二介質(zhì)層12，且第二介質(zhì)層12的折射率小于第一介質(zhì)層11的折射率。第一介質(zhì)層11置于第二介質(zhì)層12的上表面。第一介質(zhì)層11為傳輸層?？赏ㄟ^第一介質(zhì)層11到上方空氣界面的全反射和第一介質(zhì)層11到下方空氣(或第二介質(zhì)層12)界面的全反射將電磁波限制在此傳輸層，從而形成導模。在本實施例中，第一介質(zhì)層11為石英層，折射率n1為1.46。二維周期性介質(zhì)諧振器2由置于第一介質(zhì)層11的上表面且呈二維周期性分布的長方體介質(zhì)條21構(gòu)成。長方體介質(zhì)條21的折射率n大于第一介質(zhì)層11的折射率n1。硅、碲、鍺等折射率較高且不吸收入射電磁波的半導體材料是長方體介質(zhì)條的優(yōu)選材料。在本實施例，長方體介質(zhì)條21由硅材料構(gòu)成，折射率n為3.45。構(gòu)成二維周期性介質(zhì)諧振器2的長方體介質(zhì)條21為標準長方體。在實際加工中，由于加工工藝、精度等因素的限制，經(jīng)常采用帶倒角的長方體，甚至是不規(guī)則的類似長方體的結(jié)構(gòu)，這些都不影響其正常功能。在本實施例，以標準長方體為例。長方體介質(zhì)條21的長度和寬度分別滿足以下條件：n·a＝1.95λ,0.74λ≤n·b≤1.19λ，優(yōu)選為n·b＝1.19λ其中，a表示長方體介質(zhì)條的長度，b表示長方體介質(zhì)條的寬度，n表示長方體介質(zhì)條的折射率，λ表示入射電磁波在真空中的波長。在本實施例中，長方體介質(zhì)條的長度a為360納米，寬度b為220納米，厚度h選為100納米。圖1中示出的全介質(zhì)超材料類EIT諧振裝置的俯視圖如圖2所示。其中，X軸方向為入射電本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種全介質(zhì)超材料類EIT諧振裝置，其特征在于：包括平板波導和二維周期性介質(zhì)諧振器，所述平板波導包括第一介質(zhì)層，所述二維周期性介質(zhì)諧振器由置于第一介質(zhì)層的上表面且呈二維周期性分布的長方體介質(zhì)條構(gòu)成，所述長方體介質(zhì)條的折射率大于所述第一介質(zhì)層的折射率。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種全介質(zhì)超材料類EIT諧振裝置，其特征在于：包括平板波導和二維周期性介質(zhì)諧振器，所述平板波導包括第一介質(zhì)層，所述二維周期性介質(zhì)諧振器由置于第一介質(zhì)層的上表面且呈二維周期性分布的長方體介質(zhì)條構(gòu)成，所述長方體介質(zhì)條的折射率大于所述第一介質(zhì)層的折射率。2.一種全介質(zhì)超材料類EIT諧振裝置，其特征在于：由平板波導和二維周期性介質(zhì)諧振器組成，所述平板波導包括第一介質(zhì)層，所述二維周期性介質(zhì)諧振器由置于第一介質(zhì)層的上表面且呈二維周期性分布的長方體介質(zhì)條構(gòu)成，所述長方體介質(zhì)條的折射率大于所述第一介質(zhì)層的折射率。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的全介質(zhì)超材料類EIT諧振裝置，其特征在于：所述平板波導還包括第二介質(zhì)層，且第二介質(zhì)層的折射率小于第一介質(zhì)層的折射率，所述第一介質(zhì)層置于第二介質(zhì)層的上表面。4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的全介質(zhì)超材料類EIT諧振裝置，其特征在于：所有長方體介質(zhì)條的寬邊均與入射電磁波的偏振方向平行，所有長方體介質(zhì)條的長邊均與入射電磁波的偏振方向垂直。5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的全介質(zhì)超材料類EIT諧振裝置，其特征在于：所述長方體介質(zhì)條...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：洪治，隋傳帥，郎婷婷，李向軍，井旭峰，韓冰心，
申請(專利權(quán))人：中國計量大學，
類型：發(fā)明
國別省市：浙江,33