一种基于面激元辐射模式的表面沟槽结构制造技术

一种基于面激元辐射模式的表面沟槽结构，首先确定该表面沟槽结构实现聚束(beaming)效应的工作频率f；然后选择金属板材料；在金属板中央区域开一亚波长孔径(半径为r)或狭长缝隙(宽度为w)。接着在金属板的出射面(或同时在入射面和出射面)，排布若干周期沟槽结构，沟槽的周期为gp，深度为gd以及宽度为gw，第一个沟槽距离金属缝隙中央的距离为gp1，此外在相邻金属沟槽之间加载介电常数为ε，厚度为t的介质。本发明专利技术与传统亚波长周期沟槽结构相比，具有更紧凑的口径尺寸和更高的定向辐射强度，此外在其表面还支持一种面激元辐射模式，即相邻沟槽间的平面将作为次级辐射源区域，将表面电磁能量二次向自由空间辐射。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种能实现高效聚束(beaming)效应的表面沟槽结构的设计方法，特别涉及一种基于面激元辐射模式的表面沟槽结构。
技术介绍
近来，H. J. Hezec等学者在可见光波段发现在亚波长小孔(狭缝)周围加载环型 (一维)周期沟槽结构时，也能实现光能量的异常透射。不仅如此，其透过光束的传输方向也可以得到有效的控制，发射角非常小，仅为3° -5°，呈现出明显的beaming效应。而根据衍射理论，当小孔的直径小于入射光波长时，其透射光在各个角度的能量应该是均勻的， 而这两种奇特现象确实让人难以想象，引发了国际上许多研究小组对对其奇异电磁效应基本原理的研究热潮，并且与该现象相关的应用研究也如火如荼的地展开。后来这种表面沟槽结构被拓展到了太赫兹，微波波段，人们先后验证了加载沟槽结构后电磁能量的异常透射和beaming效应现象的存在。由于沟槽结构对表面电磁能量的调制，使其在沟槽表面得到了重新分布，在沟槽处存在着相对较高的电磁能量。这些能量在沟槽结构的作用下会二次向自由空间辐射，通常被人们称为次级辐射源。次级辐射源辐射出的能量与直接透过亚波长孔径(狭缝)的能量在远场相干叠加，从而实现了 beaming效应。目前这种表面周期沟槽结构，其沟槽周期约等于波长，需要数个周期排布的沟槽才能产生beaming效应，从而使得整个沟槽结构尺寸很大，口径利用率较低。因此需要迫切设计一种普适的、紧凑型的、高辐射性能的表面沟槽结构。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题克服现有技术的不足，提供一种基于面激元辐射模式的表面沟槽结构，具有高辐射性能，且结构紧凑。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是一种基于面激元辐射模式的表面沟槽结构，步骤如下(1)确定表面沟槽结构实现聚束(beaming)效应的工作频率f，波长为λ ；(2)选择金属板，所述金属板的厚度为h，h的大小满足实际加工要求对于仅出射面加载沟槽结构时，λ >h> gd;对于出射面与入射面同时加载沟槽结构时，λ >h> 2Xgd;gd为沟槽的深度；(3)在所述金属板的中央开一亚波长孔，孔的半径r < 0. 5 λ，或开一狭长缝隙，缝隙宽度w < 0. 2 λ，采用平面波对该孔或狭长缝隙进行激励；(4)对于亚波长孔径的金属板而言，在孔的出射面或同时在入射面和出射面的亚波长孔径周围排布N个环形周期沟槽结构；而对于狭长缝隙的金属板而言，在狭长缝隙出射面或同时在入射面和出射面的狭长缝隙两端对称排布N个周期沟槽结构；上述两种情况中，沟槽的周期为gp，深度为gd，宽度为gw，第一个沟槽距离金属缝隙中央的距离为 EP1 ；所述沟槽周期gp为0. 4 λ -0. 75 λ，沟槽深度gd为0. 05 λ -0. 25 λ，沟槽宽度gw为0. 05 λ -0. 15 λ，第一个沟槽距离金属缝隙中央的距离gPl < 0. 6 λ ；(5)在相邻沟槽结构之间加载介电常数为ε，厚度为t的介质；此时基于面激元辐射模式的表面沟槽结构设计完成。设计出的沟槽结构通过对表面电磁波的调制，使得相邻沟槽间的平面处聚集了相对较强的能量，这些能量在沟槽结构的作用下，会二次向自由空间辐射，因此称这种辐射为面激元辐射模式；(6)根据所设计沟槽结构的尺寸，选择适当的加工手段。对于微米纳米级的沟槽结构，需要采用微纳加工技术进行制作，对于毫米或更大尺寸的沟槽结构，可以利用数控线切割或数控铣床加工及印刷电路板制版技术进行制作。所述步骤O)中的金属板为银或铝，在微米纳米级加工时采用银，在毫米或以上尺寸加工时采用铝。金属板的形状为正方形或矩形。所述平面波激励的电场偏振方向与沟槽长度方向垂直。所述步骤(4)中的沟槽周期数目N为大于1的整数，并且N越大，能够激发出的表面电磁波就越多，从而能够调制更多的表面波并使其二次辐射出去，但N值太大，边沿处的沟槽结构发挥的作用很小，几乎可以忽略，并且还容易造成整个沟槽结构尺寸较大，因此N 值选择适当即可，一股可为5 < N < 20。所述步骤(5)中的介质的介电常数ε取值为6-15 ；所述的介质在沟槽结构尺寸为微米纳米级时，采用硅，厚度为t < 0. 15 λ ；在沟槽结构尺寸为毫米或以上尺寸时，采用微波板材，厚度t < 0. 15入。本专利技术与现有技术的相比所具有的优点在于(1)本专利技术的这种表面沟槽结构与传统的表面沟槽结构相比，口径明显减小，并且出射面沟槽表面具有不同的表面电场谐振模式，该谐振模式有助于该沟槽结构实现更高的定向辐射性能，且结构紧凑；(2)本专利技术所加载的高介电常数介质在减小相邻沟槽之间的物理间隔同时，还能激发出更多的表面电磁波，从而使得更多的表面电磁能量被沟槽调制，并向自由空间二次辐射出去，从而增加远场辐射的能量；(3)本专利技术的这种周期沟槽结构，在入射面加载沟槽时，能够激发更多的表面电磁波，将更多的能量耦合到小孔(狭缝)中，实现更高的异常透射。附图说明图1为基于面激元辐射模式的表面沟槽结构剖面图；图2为基于面激元辐射模式的亚波长狭缝表面沟槽结构俯视图；图3为基于面激元辐射模式的亚波长孔径表面沟槽结构俯视图；图4为基于面激元辐射模式的表面沟槽结构的辐射机理图；图5为传统表面沟槽结构的辐射机理图；图1，2，3中1为细长狭缝或亚波长孔径，2为表面沟槽结构，3为金属板，4为加载的介质结构，h为金属板的厚度，gw为沟槽的宽度，gp为沟槽的周期，gd为沟槽的深度， gPl为第一个沟槽距离辐射缝隙的距离，t为加载介质的厚度，r为孔径的半径，w为狭缝的宽度。图4中所设计的表面沟槽结构的相邻沟槽之间的平面为次级辐射源区域，称其为面激元辐射模式，向自由空间二次辐射表面电磁能量；其中K表示平面波波矢方向，B表示磁场偏振方向，E表示电场偏振方向。图5中传统表面沟槽结构的沟槽处为次级辐射源区域，向自由空间二次辐射表面电磁能量。其中K表示平面波波矢方向，B表示磁场偏振方向，E表示电场偏振方向。具体实施例方式下面结合附图及具体实施方式对本专利技术进行详细说明，但本专利技术的保护范围并不仅限于下面实施例，应包括权利要求书中的全部内容。而且本领域技术人员从以下的实施例即可实现权利要求中的全部内容。本专利技术提出的一种基于面激元辐射模式的表面沟槽结构，即在沟槽相邻之间的面上加载高介电常数的介质，如图1-3所示。此外该沟槽结构表面支持一种不同以往传统沟槽结构表面的电磁谐振模式，即面激元辐射模式，它是把相邻沟槽结构的平面作为一个次级辐射源(见图4)，向自由空间辐射能量，而传统沟槽结构则是在沟槽内形成了一个次级辐射源，如图5所示。加载的介质可以显著减小沟槽的周期，从而缩小整个表面沟槽结构的口径，此外面激元辐射模式能实现远场的聚束(beaming)效应，并且还能提高该表面沟槽结构的定向辐射性能。 下面通过几个实施例，进一步说明本专利技术的实现过程。实施例1(1)选择表面沟槽结构实现beaming效应的工作频率为14. 5GHz，可以得其波长为 20.69mm ；(2)由于该沟槽结构工作微波波段，结构尺寸为毫米级，故选择金属板材料为铝；(3)在金属板中央开宽度w = 1. 5mm的狭长细缝； (4)在金属板的入射面和出射面，狭缝的两端对称排布周期N = 5的表面沟槽结构，本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种基于面激元辐射模式的表面沟槽结构，其特征在于：所述表面沟槽结构的制作如下：（１）确定表面沟槽结构实现聚束效应的工作频率ｆ，波长为λ；（２）选择金属板，所述金属板的厚度为ｈ，ｈ的大小满足实际加工要求：对于仅出射面加载沟槽结构时，λ＞ｈ＞ｇｄ；对于出射面与入射面同时加载沟槽结构时，λ＞ｈ＞２×ｇｄ；ｇｄ为沟槽的深度；（３）在所述金属板的中央开一亚波长孔，孔的半径ｒ＜０．５λ，或开一狭长缝隙，缝隙宽度ｗ＜０．２λ，采用平面波对该孔或狭长缝隙进行激励；（４）对于亚波长孔径的金属板而言，在孔的出射面或同时在入射面和出射面的亚波长孔径周围排布Ｎ个环形周期沟槽结构；而对于狭长缝隙的金属板而言，在狭长缝隙的出射面或同时在入射面和出射面的狭长缝隙两端对称排布Ｎ个周期沟槽结构；上述两种情况中，沟槽的周期为ｇｐ，深度为ｇｄ，宽度为ｇｗ，第一个沟槽距离金属缝隙中央的距离为ｇｐ１；所述沟槽周期ｇｐ为０．４λ－０．７５λ，沟槽深度ｇｄ为０．０５λ－０．２５λ，沟槽宽度ｇｗ为０．０５λ－０．１５λ，第一个沟槽距离金属缝隙中央的距离ｇｐ１＜０．６λ；（５）在相邻沟槽结构之间加载介电常数为ε，厚度为ｔ的介质；此时基于面激元辐射模式的表面沟槽结构设计完成；（６）根据所设计沟槽结构的尺寸，选择适当的加工手段。对于微米纳米级的沟槽结构，需要采用微纳加工技术进行制作，对于毫米或更大尺寸的沟槽结构，可以利用数控线切割或数控铣床加工及印刷电路板制版技术进行制作。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄成，赵泽宇，冯沁，崔建华，罗先刚，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：90