基于超材料的表面波的激发和长距离传输结构制造技术

本发明专利技术公开了基于超材料的表面波的激发和长距离传输结构，其中，第一至第三种结构是自由空间耦合结构，第四种结构是端面耦合结构。上述四种结构，均无需使用高折射率棱镜耦合，更利于光学元件的集成，同时光的传播距离可达到毫米量级，可广泛用于光学元件中。结构简单，在不使用高折射率棱镜的情况下，SPPs很容易耦合，更利于光学元件的集成，同时光的传播距离可达到毫米量级，可广泛用于光学元件中。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了基于超材料的表面波的激发和长距离传输结构，其中，第一至第三种结构是自由空间耦合结构，第四种结构是端面耦合结构。上述四种结构，均无需使用高折射率棱镜耦合，更利于光学元件的集成，同时光的传播距离可达到毫米量级，可广泛用于光学元件中。结构简单，在不使用高折射率棱镜的情况下，SPPs很容易耦合，更利于光学元件的集成，同时光的传播距离可达到毫米量级，可广泛用于光学元件中。【专利说明】基于超材料的表面波的激发和长距离传输结构
本专利技术涉及基于超材料的表面波的激发和长距离传输结构。
技术介绍
表面等离子体(surface plasmons)是一种电磁表面波,它在表面处场强最大,在垂直于界面方向是指数衰减场，它能够被电子也能被光波激发。由于在一般情况下(对于连续的金属介质界面)，表面等离子体波的波矢量大于光波的波矢量，所以不可能直接用光波激发出沿界面传播的表面等离子体波(propagating surface plasmon)。 为了激励表面等离子体波，需要引入一些特殊的结构达到波矢匹配，常用的有两种:一种是Kretschmann结构，即金属薄膜直接镀在棱镜面上,入射光在金属_棱镜界面处会发生全反射，全反射的消逝波(又称表面波)可能实现与表面等离子体波的波矢量匹配，光的能量便能有效的传递给表面等离子体，从而激发出表面等离子体波。另一种是Otto结构，即具有高折射率的棱镜和金属之间存在狭缝，狭缝的宽度比较小，大约几十到几百个纳米。 可见上述两种结构都需要使用高折射率的棱镜来激发表面等离子体。目前在平坦的金属表面激发表面等离子体波必须借助于棱镜或者光栅耦合的方式，这在一定程度上限制了相关SPP器件(SPP:surface plasmon polaritons,表面等离子体激元)的小型化、微型化。如果不使用棱镜或者光栅，则更利于光学元件的集成，甚至集成在一块芯片中。 另外，传统的SPPs (表面等离子体激元或者表面等离子体波的缩写)的传输距离很短，在可见光波段的传播长度在1-1OOum之间，无法达到光学元件中对光传播距离的要求。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提供基于超材料的表面波的激发和长距离传输结构，在不使用高折射率棱镜的情况下，表面等离子体激元很容易耦合，更利于光学元件的集成，同时光的传播距离可达到毫米量级，可广泛用于光学元件中。 为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本专利技术可以通过以下四种技术方案实现，分别如下: 第一种结构:基于超材料的表面波的激发和长距离传输结构，其特征在于，包括介电系数是ε Iil的金属膜层，所述金属膜层底部设置有超材料层，所述超材料层的介电系数 ? ^ 一1g金属?超材W弋",一~:~ ° 1 - ?金属 第二种结构:在第一种结构的基础上，在超材料层底部设置有玻璃衬底层。 第三种结构:基于超材料的表面波的激发和长距离传输结构，其特征在于，包括介电系数是ε 的金属基板层，所述金属基板层顶部设置有超材料层，所述超材料层的介电 ^超材料 < I _。1 *基板 第四种结构:基于超材料的表面波的激发和长距离传输结构，其特征在于，包括相连的上下两层结构，其中顶层是介电系数为ε Ijs的金属膜层，底层的一端是超材料层，所 属述超材料层的介电系数％材料<所述超材料层的端部和金属膜层一端对齐且超材1 — ?金属料层的长度小于金属膜层的长度。 其中，第一至第三种结构是自由空间耦合结构，第四种结构是端面耦合结构。上述四种结构，均无需使用高折射率棱镜耦合，更利于光学元件的集成，同时光的传播距离可达到毫米量级，可广泛用于光学元件中。 本专利技术的有益效果是:结构简单，在不使用高折射率棱镜的情况下，表面等离子体激元很容易耦合，更利于光学元件的集成，同时光的传播距离可达到毫米量级，可广泛用于光学元件中。 【专利附图】【附图说明】 图1是金属和介质的界面上激发表面等离子体波的相关物理量的示意图； 图2是本专利技术用于长距离传播光的装置的三种结构示意图； 图3是金属膜层厚度对表面波耦合深度的影响的示意图； 图4是超材料的介电系数的虚部对表面波耦合的影响的示意图； 图5是图2中第⑴种结构超材料介电系数的不同的虚部对表面波耦合深度的影响的示意图； 图6是图2中第(2)种结构超材料的厚度对表面波耦合深度的影响的示意图； 图7是SPPs的传播距离的示意图； 图8是本专利技术用于长距离传播光的装置的第四种结构示意图； 附图的标记含义如下: 1:空气；2:金属膜层；3:超材料层；4:玻璃衬底层；5:石英玻璃层；6:金属基板层；7:空隙。 【具体实施方式】 下面结合附图和具体的实施例对本专利技术技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本专利技术并能予以实施，但所举实施例不作为对本专利技术的限定。 图1是金属和介质的界面上激发表面等离子体波(下文简称表面波)的相关物理量的示意图，而表面波的色散关系由下面这个公式给出: 0 (ωλ I ελε? β= — J~l^- Uy v￡i + 式中:ε i是金属的介电系数，ε 2是介质的介电系数，β是表面等离子波的传播常数，ω是频率，c是光速。图1中，ξ是金属中的波矢，ζ是介质中的波矢，ζ是金属中的横向波矢，?Γ是介质中的横向波矢。 通过分析可以发现，当-^1条件满足时，存在传播常数为实数，且 L1-^i 」 此时无法从空气I中直接使用激光来激发表面等离子体，而需要借助高折射率棱 C镜。 但是，如果介质的介电系数〃的时候，会发现/?<$，即可以在自由空 "6IC 间中直接激发金属和这种介质界面上的表面波，而不需要棱镜，这就是本专利设想的理论基础。 自然界中的非金属材料的介电系数的实部都是大于I的，因此空气I是自然界中介电系数最小的非金属材料了。根据SPW(金属表面等离子体波)的激发条件，无法利用激光在空气I (自由空间)中直接照射在金属表面的方式来激发表面等离子体波。但是随着超材料(指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料)的出现，迄今发展出的“超材料”包括:“左手材料”、光子晶体、“超磁性材料”等。“左手材料”是一类在一定的频段下同时具有负的磁导率和负的介电常数的材料系统(对电磁波的传播形成负的折射率)。近一两年来“左手材料”引起了学术界的广泛关注，曾被美国《科学》杂志评为2003年的〃年度十大科学突破〃之一。目前可以通过多种工艺获得介电系数 &〈^^吣1的超材料，比如光刻、离子注入、化学方法的自组装等等。 本专利技术共有四种结构可以在光学元件中用于长距离传播表面波，其中三种是自由空间耦合结构(可以从自由空间中比如空气I中直接将一束激光耦合进金属表面等离子体中进行传输)，一种是端面耦合结构。三种自由空间耦合结构见图2所示，每一列的上部分是装置的结构，下部分是对应的仿真结果，需说明的是，由于金属膜层2的厚度才几十纳米，超薄，因此在结构示意图中可以画出来，但仿真是真实的比例，因此仿真图中未显示金属膜层2。 第(I)种结构，基于超材料的表面波的激发和长距离传输结构，包括介电系数是ε 的金属膜层2，所述金属膜本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于超材料的表面波的激发和长距离传输结构，其特征在于，包括介电系数是ε金属的金属膜层(2)，所述金属膜层(2)底部设置有超材料层(3)，所述超材料层(3)的介电系数

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：殷澄，姚澄，单鸣雷，高远，韩庆邦，朱昌平，
申请(专利权)人：河海大学常州校区，
类型：发明
国别省市：江苏;32