一种基于多个金属复合纳米介质柱的多重谐振腔及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种基于多个金属复合纳米介质柱的多重谐振腔及其应用，属于电磁技术领域。本发明专利技术的多重谐振腔共由三层18个金属复合纳米介质柱组成，第一层6个金属复合纳米介质柱按矩形排列，第二、三层的各6个分别均匀的分布在内外两个圆上；该结构构成了4种大小差异的9个空腔。本发明专利技术的多重谐振腔通过介质柱之间的缝隙，由外部激发谐振，同时入射波激发的谐振等离子波在不同频率由4种大小各异的9个空腔形成六种完全不同的谐振机制，通过改变金属涂层的材料和厚度以及最内层介质核的相对介电常数的大小来实现对不同频率的入射波激发谐振的等离子体波，实现不同频率多样化的多重谐振腔结构。

A Multiple Resonator Based on Multiple Metal Composite Nano-Dielectric Columns and Its Application

The invention discloses a multiple resonator based on multiple metal composite nano-dielectric pillars and its application, which belongs to the field of electromagnetic technology. The multi-resonator of the invention consists of three layers of 18 metal composite nano-dielectric pillars, six metal composite nano-dielectric pillars in the first layer are arranged in rectangular arrangement, and six in the second and third layers are evenly distributed on two inner and outer circles respectively. The structure constitutes nine cavities with four different sizes. The multi-resonant cavity of the present invention excites resonance from outside through the gap between dielectric cylinders, while the resonant plasma wave excited by incident wave forms six completely different resonance mechanisms from nine cavities of four different sizes at different frequencies. The incident wave of different frequencies is realized by changing the material and thickness of the metal coating and the relative dielectric constant of the innermost dielectric core. The multi-resonator structure with different frequencies can be realized by exciting the resonant plasma wave.

【技术实现步骤摘要】
一种基于多个金属复合纳米介质柱的多重谐振腔及其应用
本专利技术属于电磁
，具体地说，涉及一种电磁谐振腔，更具体地说，涉及一种基于多个金属复合纳米介质柱的多重谐振腔及其应用。
技术介绍
普通电磁波的谐振腔必须通过在腔体内馈源才能有效谐振，而且普通的电磁谐振腔在尺寸和形状确定的情况下，谐振模式只能是确定的低频和高频谐振模式，并且一般电磁谐振腔的几何尺寸就决定了谐振频率。随着纳米科技的迅速发展，纳米金属材料不同于纯介质纳米柱材料，它不仅有纳米材料的优良性质，更集合了金属独有的特性，因此在物理和化学领域的展现独特性能。纳米金属材料应用在各个领域基础研究中的影响令人瞩目。尤其是金、银等贵金属可用于涂覆层，具有良好的光学性能。此外，一些金属纳米材料对温度、光线、声音及气体都很敏感，可用纳米金属材料来制备满足不同性能要求的传感器。在纳米光子学领域，表面等离子体光学逐渐凸显其优势。金属表面等离子体是一种独特的表面电磁波，其本质是由入射光与金属内部自由电子相互作用形成的。在金属与介质的分界面表面处产生表面等离激元，表面等离子激元是一种由光子与金属表面自由电子作用形成的光子-电子耦合态，这种耦合态使得表面等离子体局域场增强。
技术实现思路
针对传统电磁谐振腔存在的上述缺点和不足，本专利技术的目的在于提供一种由三层金属复合纳米介质柱组成的多重谐振腔结构，具有独特的光学特性和谐振模式，本专利技术的另一目的在于提供该谐振腔的应用方法。为了解决上述问题，本专利技术所采用的技术方案如下：一种基于多个金属复合纳米介质柱的多重谐振腔，包括分别设置在内层区域、中层区域和外层区域内的18个金属复合纳米介质柱，所述内层区域、中层区域和外层区域的中心点重合；所述18个金属复合纳米介质柱中的6个金属复合纳米介质柱在内层区域内按照矩形排列，所述18个金属复合纳米介质柱中的另外6个金属复合纳米介质柱在中层区域内按照圆形均匀排列，所述18个金属复合纳米介质柱中的其余6个金属复合纳米介质柱在外层区域中按照圆形均匀排列，所述中层区域中的金属复合纳米介质柱和所述外层区域中的金属复合纳米介质柱一一交错布置；所述18个金属复合纳米介质柱之间互不接触，所述18个金属复合纳米介质柱之间形成四种形状各异的9个空腔。进一步地，所述18个金属复合纳米介质柱包括内层介质柱Ⅰ、内层介质柱Ⅱ、中层介质柱和外层介质柱；所述内层区域为矩形，所述内层介质柱Ⅰ有4个，分别设置在所述内层区域的四个顶点上，所述内层介质柱Ⅱ有2个，分别设置在所述内层区域的两条长边的中点上，所述内层介质柱Ⅰ的外径大于所述内层介质柱Ⅱ；所述中层区域为圆形，所述中层介质柱有6个，均匀分布在所述中层区域的边界上；所述外层区域为圆形，所述外层介质柱有6个，均匀分布在所述外层区域的边界上。更进一步地，所述中层区域的半径为208.75nm，所述外层区域的半径为257nm，所述内层介质柱Ⅰ的半径为60nm，所述内层介质柱Ⅰ的圆心与所述内层区域的中心点的距离为120.8nm，所述内层介质柱Ⅱ的半径为43.9nm，所述中层介质柱的半径为60nm，所述外层介质柱的半径为67.5nm。更进一步地，所述金属复合纳米介质柱的金属涂层的厚度为14～30nm。更进一步地，所述金属复合纳米介质柱的金属涂层的材质为金或银。更进一步地，所述金属复合纳米介质柱的最内层介质核的相对介电常数范围为3.9～11.5。更进一步地，所述金属复合纳米介质柱的最内层介质核的材质为硅或二氧化硅。更进一步地，所述金属复合纳米介质柱的相对磁导率为1。更进一步地，所述金属复合纳米介质柱置于空气环境中。一种上述多重谐振腔的应用，入射的电磁波的频率为5.0×1013Hz～2.5×1014Hz。相比于现有技术，本专利技术的有益效果为：(1)相比于普通的电磁谐振腔来说，本专利技术的金属复合纳米介质柱组成的等离子波谐振腔可以通过介质柱之间的缝隙，由外部激发谐振。(2)相比于传统的电磁谐振腔单一的谐振模式，本专利技术的谐振腔结构可以实现对于多种频率入射电磁波多样化的谐振机制，不同频率激发的等离子体波在不同的空腔形成不同形式的谐振。(3)普通谐振腔的电磁谐振腔几何尺寸就决定了谐振频率，而本专利技术的金属复合纳米介质柱通过改变金属层的厚度，可有效的改变等离子体波的谐振频率，而且等离子波的谐振空间不仅仅是金属所围成几何空间，还包括界面部分空间。(4)本专利技术的谐振腔结构可以通过对最内层介质核和外层金属涂层的材料的改变，对不同频率的入射波激发谐振的等离子体波。附图说明图1为本专利技术的多重谐振腔的多重区域及多个金属复合纳米介质柱的示意图；图中：1、内层介质柱Ⅰ；2、内层介质柱Ⅱ；3、中层介质柱；4、外层介质柱。图2为本专利技术的三层金属复合纳米介质柱的排列示意图；图中：101、第一内层介质柱Ⅰ；102、第二内层介质柱Ⅰ；103、第三内层介质柱Ⅰ；104、第四内层介质柱Ⅰ；201、第一内层介质柱Ⅱ；202、第二内层介质柱Ⅱ；301、第一中层介质柱；302、第二中层介质柱；303、第三中层介质柱；304；第四中层介质柱；305、第五中层介质柱；306、第六中层介质柱；401、第一外层介质柱；402、第二外层介质柱；403、第三外层介质柱；404、第四外层介质柱；405、第五外层介质柱；406、第六外层介质柱。图3为外界平面波入射角为0°入射，所有三层金属复合纳米介质柱为18nm厚的银涂层的吸收截面示意图。图4为图3中吸收截面的六个峰值的近磁场分布图；其中，a为入射频率f(a)＝9.261×1013Hz，b为入射频率f(b)＝1.347×1014Hz，c为入射频率f(c)＝1.563×1014Hz，d为入射频率f(d)＝1.682×1014Hz，e为入射频率f(e)＝1.779×1014Hz，f为入射频率f(f)＝2.152×1014Hz时的等离子波谐振模式。图5为改变金属涂层银的厚度(14nm、18nm、30nm)得到的三层金属复合纳米介质柱的吸收截面示意图。图6为金属层厚度为30nm时六个峰值对应的近场图；其中，a为第一峰值对应的入射频率f(a)＝0.9583×1014Hz的磁场分布图，b为第二峰值对应的入射频率f(b)＝1.422×1014Hz时的磁场分布图，c为第三峰值对应的入射频率为f(c)＝1.706×1014Hz磁场分布图，d为第四峰值对应的入射频率f(d)＝1.851×1014Hz时的磁场分布图，e为第五峰值对应的入射频率f(e)＝1.983×1014Hz时的磁场分布图，f为第六峰值对应的入射频率f(f)＝2.381×1014Hz的磁场分布图。图7为最内层核介质材料分别为硅、二氧化硅时得到的吸收截面图。图8为金属涂层材料分别为金、银时得到的吸收截面图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进一步进行描述。如图1～8所示的基于多个金属复合纳米介质柱的多重谐振腔，包括18个金属复合纳米介质柱。内层介质柱Ⅰ1、内层介质柱Ⅱ2、中层介质柱3和外层介质柱4四种介质柱分别设置在内层区域、中层区域和外层区域的边界上，内层区域为矩形，中层区域和外层区域为圆形，内层区域、中层区域和外层区域的中心点重合。其中：第一内层介质柱Ⅰ101、第二内层介质柱Ⅰ102、第三内层介质柱Ⅰ103和第四内层介质柱Ⅰ104位于内层区域的四个本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多个金属复合纳米介质柱的多重谐振腔，其特征在于，包括分别设置在内层区域、中层区域和外层区域内的18个金属复合纳米介质柱，所述内层区域、中层区域和外层区域的中心点重合；所述18个金属复合纳米介质柱中的6个金属复合纳米介质柱在内层区域内按照矩形排列，所述18个金属复合纳米介质柱中的另外6个金属复合纳米介质柱在中层区域内按照圆形均匀排列，所述18个金属复合纳米介质柱中的其余6个金属复合纳米介质柱在外层区域中按照圆形均匀排列，所述中层区域中的金属复合纳米介质柱和所述外层区域中的金属复合纳米介质柱一一交错布置；所述18个金属复合纳米介质柱之间互不接触，所述18个金属复合纳米介质柱之间形成四种形状各异的9个空腔。

【技术特征摘要】
1.一种基于多个金属复合纳米介质柱的多重谐振腔，其特征在于，包括分别设置在内层区域、中层区域和外层区域内的18个金属复合纳米介质柱，所述内层区域、中层区域和外层区域的中心点重合；所述18个金属复合纳米介质柱中的6个金属复合纳米介质柱在内层区域内按照矩形排列，所述18个金属复合纳米介质柱中的另外6个金属复合纳米介质柱在中层区域内按照圆形均匀排列，所述18个金属复合纳米介质柱中的其余6个金属复合纳米介质柱在外层区域中按照圆形均匀排列，所述中层区域中的金属复合纳米介质柱和所述外层区域中的金属复合纳米介质柱一一交错布置；所述18个金属复合纳米介质柱之间互不接触，所述18个金属复合纳米介质柱之间形成四种形状各异的9个空腔。2.根据权利要求1所述的多重谐振腔，其特征在于，所述18个金属复合纳米介质柱包括内层介质柱Ⅰ(1)、内层介质柱Ⅱ(2)、中层介质柱(3)和外层介质柱(4)；所述内层区域为矩形，所述内层介质柱Ⅰ(1)有4个，分别设置在所述内层区域的四个顶点上，所述内层介质柱Ⅱ(2)有2个，分别设置在所述内层区域的两条长边的中点上，所述内层介质柱Ⅰ(1)的外径大于所述内层介质柱Ⅱ(2)；所述中层区域为圆形，所述中层介质柱(3)有6个，均匀分布在所述中层区域的边界上；所述外层区域为圆形，所述外层介质柱(4)有6个，均匀分布在所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓萌，余观夏，杜文文，付晶晶，吕一航，骆敏，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32