一種高品質因子的全介質超材料諧振裝置的制作方法

本發明涉及一種諧振裝置，屬于超材料
技術領域：
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背景技術：
：全介質超材料是一種人工設計制作的亞波長周期性介質諧振結構材料。由于全介質超材料能夠非常容易操控電磁波的響應和極低的損耗，可以獲得自然界介質不能獲得的特性而受到廣泛重視。目前在生物傳感、隱身衣、負折射率、光子器件等領域具有非常重要的應用。目前對金屬超材料諧振器，由于金屬的歐姆損耗和諧振輻射損耗使提高q值(qualityfactory，品質因子，諧振峰中心頻率除以諧振峰寬度，諧振寬度以fwhm(fullwidthathalfmaxium)計算)成為非常難以解決的問題。而全介質超材料可以克服金屬損耗和輻射損耗，為實現高q諧振提供了可能性。但目前高品質因子及實現高q電磁諧振的全介質超材料設計方法還很少。技術實現要素：本發明的目的是提供一種具有高品質因子的全介質超材料諧振裝置。為實現上述目的，本發明所采取的技術方案是：本發明高品質因子的全介質超材料諧振裝置包括基底和位于基底的上表面上的二維周期性介質諧振單元，所述基底由介質材料制作，每個所述介質諧振單元為橫截面為矩形的介質條，所述介質條的長度、寬度和高度滿足以下條件：a≥2b,a≥2.5h,1.6a≤λ≤2.4a，其中，a表示介質條的長度，b表示介質條的寬度，h表示介質條的高度，λ為所述諧振裝置的諧振中心波長，所述介質諧振單元的介電常數大于基底的介電常數。進一步地，入射電磁波與所述介質條的上表面垂直，且入射電磁波的電場偏振方向與所述介質條的第一側面垂直，第一側面的長度為a、寬度為h。與現有技術相比，本發明具有以下優點：本發明的二維周期性介質諧振單元結構簡單，由于介質條的橫截面為矩形，當介質條的幾何參數滿足以下條件：a≥2b,a≥2.5h,1.6a≤λ≤2.4a(a、b、h分別表示介質條的長度、寬度、高度，λ為所述諧振裝置的諧振中心波長)并且諧振單元的介電常數高于基底時，若入射電磁波與介質條的上表面垂直，且入射電磁波的電場偏振方向與介質條的第一側面垂直，能夠產生mie高階電磁諧振，獲得很高的諧振品質因子。本發明實現了在傳感、濾波及光納米器件等方面的重要應用。附圖說明圖1為本發明高品質因子的全介質超材料諧振裝置的一種結構示意圖。圖2為圖1的俯視圖。圖3為圖1的左視圖。圖4為本發明全介質超材料諧振裝置在入射電磁波的電場偏振方向為x方向的情況下由有限元算法計算得到在580納米—740納米的透射率譜曲線。圖5為本發明全介質超材料諧振裝置在介質條的高度和寬度固定，長度變化時，入射電磁波的電場偏振方向為x方向的情況下由有限元法計算得到在585納米—740納米的透射率譜曲線。圖6為本發明全介質超材料諧振裝置在介質條的高度和長度固定，寬度變化時，入射電磁波的電場偏振方向為x方向的情況下由有限元法計算得到在585納米—780納米的透射率譜曲線。具體實施方式以下結合附圖進一步詳細說明本發明全介質超材料諧振裝置的結構。如圖1至圖3所示，本發明全介質超材料諧振裝置包括基底21和位于基底21的上表面上的二維周期性介質諧振單元。基底21由介質材料制作而成。所謂二維周期性介質諧振單元是由多個介質諧振單元按二維周期性分布構成(參見圖2)。在本發明中，每個介質諧振單元為一介質條12，該介質條12的橫截面為矩形。具體地說，如圖1至圖3所示，若以a表示介質條12的長度，b表示介質條12的寬度，h表示介質條12的高度，則介質條12的橫截面的長度為a、寬度為b。并且，介質條12的長度、寬度和高度滿足以下條件：a≥2b,a≥2.5h,1.6a≤λ≤2.4a，其中，λ為本發明全介質超材料諧振裝置的諧振中心波長。此外，在本發明中，介質諧振單元的介電常數大于基底21的介電常數。如圖3所示，本發明全介質超材料諧振裝置使用時，入射電磁波朝著介質條12的上表面射入，并且與介質條12的上表面垂直，且入射電磁波的電場偏振方向與介質條12的第一側面121垂直。如圖3所示，第一側面121的長度為a、寬度為h。在圖1和圖2中，第一側面121為介質條12的左側面。需要說明的是，如圖1至圖3所示，入射電磁波的電場偏振方向與介質條12的第一側面121垂直是指入射電磁波的電場偏振方向與x軸方向相同。圖3中，k為波矢，即為入射電磁波的傳播方向，e為電場偏振方向，h為磁場偏振方向。以下以基底21的材料為石英、介質條12為硅條為例對本發明全介質超材料諧振裝置作進一步的說明。在本實施例中，硅條的介電常數為11.9，硅條的長度a為340納米、寬度b為150納米、高度h為100納米。基底21的材料為石英，其折射率n為1.46(介電常數為2.1316)。如圖2所示，在本實施例中，四個硅條構成二維周期性介質諧振單元，其中，沿y軸方向的周期長度py為440納米，沿x軸方向的周期長度px為400納米。將本實施例獲得的全介質超材料諧振裝置用有限元法計算得到在580納米—740納米范圍的透射率譜圖(如圖4所示)。從圖4中可以看出，在中心波長為594納米和674.5納米處各有一個諧振，即為介質mie諧振。由mie諧振理論和電磁場空間矢量圖(未示出)可以判斷，該兩個諧振分別為mie磁偶極諧振和電偶極諧振。其中，594納米處磁諧振的q值較低，為44，對諧振單元的幾何參數不敏感；674.5納米處電諧振的q值較高，為218，受介質諧振單元的幾何參數(如介質條的長、寬等幾何參數)的影響較大。圖5為本實施例獲得的全介質超材料諧振裝置在介質條12的高度(100nm)和寬度(150nm)固定，而長度變化時，入射電磁波的電場偏振方向與介質條12的第一側面121垂直(即沿著x軸方向)的情況下由有限元法計算得到在585納米—740納米的透射率譜曲線。從圖5中可以看出，本實施例獲得的全介質超材料諧振裝置在中心波長590納米～610納米范圍內為磁諧振，670納米～720納米范圍內為電諧振；并且，本實施例獲得的全介質超材料諧振裝置的諧振中心波長隨介質條12的長度增大而變大，其中電諧振的q值隨介質條12的長度的變化而有較大的變化。表1中示出了在硅條的寬度和高度不變時，本實施例獲得的全介質超材料諧振裝置的電諧振中心波長和品質因子隨硅條長度的變化而發生變化。表1由表1可以看出，本實施例獲得的全介質超材料諧振裝置當介質諧振單元的長度a從340納米增大到430納米時，相應的電諧振品質因子從218增大至25660，且介質諧振單元的長度a越接近py時，電諧振q值越大。圖6為本實施例獲得的諧振裝置在介質諧振單元的高度(100nm)和長度(420nm)固定，而寬度變化時，入射電磁波e的電場偏振方向為x軸方向的情況下，由有限元法計算得到在585納米—780納米的透射率譜曲線。從圖6中可以看出，全介質超材料諧振裝置在580納米—630納米范圍內為磁諧振，在670納米—760納米范圍內為電諧振，其中，全介質超材料諧振裝置的諧振中心波長隨著介質諧振單元的寬度的變化而變化，且電諧振q值的變化較大，可以實現很高q值。表2中示出了硅條在不同寬度時，全介質超材料諧振裝置的電諧振中心波長和品質因子的變化。表2b(納米)λ(納米)電諧振q值120656.512100130676.78800140697.77270150718.36080160737.951501707564560由表2可以看出，當介質諧振單元的寬度變小時，全介質超材料諧振裝置的電諧振品質因子變大；當介質諧振單元的寬度為120納米時，全介質超材料諧振裝置的電諧振品質因子為12100，已具有極高的電諧振品質因子。由上可知，本發明全介質超材料諧振裝置通過改變介質條12的長、寬、高等幾何參數，可以在不同程度上調節電諧振中心波長的大小和電諧振品質因子的大小，獲得極高的電諧振品質因子。本發明高品質因子的全介質諧振裝置可以應用于濾波器、超靈敏傳感器、負折射率等領域，用于制作光波段、太赫茲及微波等波段的高性能器件和超靈敏度傳感器等。當前第1頁12