[发明专利]基于人工表面等离激元微腔的反对称模式有效激励装置

说明书

本发明公开了一种基于人工表面等离激元微腔的反对称模式有效激励装置，基于平行双线波导结构，包括介质基板、覆盖在所述介质基板上的两条沿延伸方向成镜像平行排列的金属凹槽条带和一条双边开对称凹槽的金属条带；还包括作为嵌入共振单元的V型结构单元，所述V型结构单元置于平行凹槽金属条带间。

技术领域

本发明涉及一种基于人工表面等离激元微腔的反对称模式有效激励装置，属于新型人工电磁材料领域。

背景技术

基于表面等离激元的传输机制中，波导是一种基本的元件，它能够突破光学衍射极限操控能量在纳米尺度的传播。目前，已有多种基于不同结构的表面等离激元波导被提出，例如光子晶体波导、金属波导、金属-绝缘体-金属波导和金属纳米线波导等，它们能够实现表面等离激元在其表面的有效传输。两条沿延伸方向成镜像对称的金属凹槽条带，当导行电磁波沿着该波导结构传输时，电磁能量被局域在平行金属凹槽条带间传输。这种波导结构较单导体波导而言，传输具有更高的束缚性。它的传输特性非常类似于常见的MIM(金属-绝缘体-金属)等离激元波导。

当两个金属凹槽条带间距离与传输波长可比拟时，两个平行条带将会在法布里-珀罗(Fabry-Pérot,FP)腔模式的辅助下发生相互远场耦合，当电磁波被局域在两条带间传输时，两平行波导及其间隔结构的传输特性可近似地看作一个光学微腔。通过调整表面等离激元微腔的结构参数和周围介质折射率，可以有效地调节腔内表面等离激元共振模式和FP腔模式的色散特性。表面等离激元微腔的电磁场传播模式可以分为对称模式和反对称模式。对称模式，其主磁场分量关于金属平面是对称分布的。反对称模式则恰好相反，即其主磁场分量关于金属平面是反对称分布的。其中，电场Ex和磁场Hy两个场分量对应的分布是一致的，并且和Ey方向的场分布反向。通过在平行金属条带上场分量间引入光程差，在微腔内能够激励起对称模式和反对称模式两种模式。对称模式的电场主要分布在金属平面两侧，介质两侧的电场分布没有相位差且具有较低的传输损耗，因此适合远距离的传输，为平行传输波导结构内电磁场传播的主要模式。对于反对称模式，介质两侧的电场相位相差π，电场主要集中在两条金属线中间并被增强，它常被用以驱动辐射场。

当局域共振单元位于FP微腔形成的复合结构中，如纳米线、纳米线对放置在金属平板构成的FP腔中，局域共振模式与FP腔模式间发生强耦合相互作用。反对称模式的色散曲线逐渐逼近表面等离激元的截止频率，并且随频率陡峭上升，部分曲线位于光线的左侧。2011年Park等建立了一个T型连接的MIM波导耦合系统，揭示了不对称透射光谱的存在，解释了不对称光谱是由准连续的局域模式和谐振腔产生的离散本征模式相互耦合的共振所导致。

表面等离激元是一种束缚于金属-介质表面传输的模式，其波动量大于自由光子的动量，因此很难直接用表面等离激元直接转化成空间电磁波。尤其在设计表面等离激元功能器件时，空间波与表面等离激元波的高效转换是一个非常关键的技术难点；由于目前较低的转化效率，这在很大程度上限制了表面等离激元器件的开发和应用。因此，迫切需要找到一种途径，能够实现传输模式与辐射模式间的高效转换。反对称表面等离激元模式在某些特定频段内呈现非局域的辐射模式，这一特性能够对表面等离激元的模式转换及实现表面等离激元模式的辐射。因此，反对称模式的有效激励能带来一些新的耦合机制，在很大程度上有助于新型导波结构装置及功能器件的发展。

发明内容

本发明为解决现有技术中存在的不足，提出一种基于人工表面等离激元微腔的反对称模式有效激励装置，V型单元因其对称破缺结构特性，当微腔结构的平行金属凹槽条带间的间隔与波长可比拟时，置于平行金属凹槽条带间的V型单元会在微腔FP腔模式的辅助下发生相互作用，对微腔内场间分布形成明显的相位差以形成反对称模式激励，该波导结构能够有效地将人工表面等离激元模式转换成辐射模式。

本发明提供了一种基于人工表面等离激元微腔的反对称模式有效激励装置，基于平行双线波导结构，包括介质基板、覆盖在所述介质基板上的两条沿延伸方向成镜像平行排列的平行金属凹槽条带和一条双边开对称凹槽的金属条带；还包括作为嵌入共振单元的V型结构单元，所述V型结构单元置于平行金属凹槽条带间。