[发明专利]混合型的金属‑介质SSP周期光栅系统及其用途和方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米光学，具体涉及一种混合型的金属-介质SSP周期光栅及其用途和方法。

背景技术

太赫兹波是一种频率量级为THz(1THz＝10¹²Hz)的电磁辐射，其在电磁波谱中处于微波与红外光学之间，因此也被称为由传统电子学向微观光子学过渡的太赫兹间隙(THz Gap)。近年来，由于太赫兹波的一系列独特优势而受到国内外学术界以及工业界的广泛关注，形成了一门针对太赫兹波的产生、传输、操控以及应用相关的新学科，即太赫兹科学与技术。由于其在电磁波谱中的独特位置，太赫兹波展现出了微波及红外所不具有的一系列优越性。比如，相对于低频段的微波，由于其波长更短，具有更强的穿透性和更好的方向性，在成像及跟踪领域具有一定的优势。

发展太赫兹科学与技术离不开对以波导为基础的功能器件的研究，波导作为传输太赫兹波的结构，其结构特性往往也决定了其传导的太赫兹波的传输特性。因此，太赫兹波导不仅起着传输太赫兹波的作用，而且在一定层度上还能够起到操控太赫兹波的目的。研究太赫兹波导与传统微波波段的金属波导一样，也是对其传播常数的研究，包括实部和虚部的两部分，即分别表征色散特性和传输损耗。由于太赫兹波在大气中传输的衰减很大(除了THz大气窗口如350μm、450μm、620μm、735μm波长附近)，因此太赫兹波导对发展太赫兹科学技术显得尤为重要。针对不同的应用场合，选取易于与现有太赫兹系统集成的波导器件成为了关键。除了以上提到的低色散、衰减小以及便于集成等优点外，一般还要求波导具有单模传输、宽带宽及结构简单等特点。根据目前常见的太赫兹波导，大体可分为两类：一种是从低频率的较为成熟的微波波导向高频率发展，如金属波导；另一种是从光学波段往低频率发展，比如光子晶体光纤，除此之外还出现了一些新型的太赫兹波导，如石墨烯波导、金属介质混合波导、光子晶体波导等等。

下面对太赫兹波导的研究现状作一简单回顾：

(1)金属波导。太赫兹金属波导是一种常见的而且非常成熟的波导技术，如各种形状(圆形、矩形等)的金属腔波导、平行板金属波导等。这一类波导一般存在一个低频截止频率，为多模传输。不足之处是太赫兹波的群速度色散较大，在某些应用场合存在缺陷。通过研究发现，采用平行板金属波导能有效地抑制群速度色散的影响。相比于以上金属波导，金属丝波导能够大大地减小传输损耗，较低的传输色散，是一种结构较为简单的太赫兹波导。2004年有文献报道，不锈钢单金属线能够实现几乎无色散、平均损耗系数很小的太赫兹波传输，实验表明太赫兹波在该波导中传输4厘米和24厘米后几乎无变形(Kanglin Wang and D.M.Mittleman,Nature 432,376,2004)。但是该种金属波导能够局促太赫兹波的能力有限，因为金属在太赫兹以及更低的波段的电导率有限，因此这一波段的太赫兹波也被称为Sommerfeld Wave或Zenneck Wave。

(2)介质波导。另一种常见类型的太赫兹波导是介质波导，其原理类似于光纤传输的原理。利用一些在太赫兹波段衰减较低的材料组成全介质的实心或空心的波导，能够得到各种形状和不同结构的波导。与金属波导相比，介质波导最大的特点是能够有效的局促太赫兹波，能够实现单模传输，易产生线偏振模，但是最大的缺点是损耗较大。比如，常用的单晶蓝宝石、塑料、布料以及聚合物等等。根据不同的应用需求，选取介电常数合适的材料作为介质波导传输太赫兹波。在介质波导中，有一种特殊的周期性结构的波导，即太赫兹光子晶体波导，现在已经出现了用于太赫兹波传播的一维、二维及三维光子晶体波导。

(3)新型波导。除了以上两种常见的金属波导和介质波导外，在太赫兹波段还出现了一些新型波导。这里面最常见的就是本发明涉及的基于表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons,SPP)的波导。