基于人工表面等離激元的緊湊型閉環諧振器的制作方法

本發明是一種環形諧振器，特別是一種基于人工表面等離激元的緊湊型閉環諧振器。

背景技術：

表面等離激元是在一定的激勵條件下形成的沿著金屬和介質表面傳播的表面電磁波，可以將電磁場能量限制在深度亞波長范圍內，所以不受衍射極限的限制，在集成電路、通信技術和傳感器等方面有巨大的應用前景。

然而自然界的表面等離激元僅存在于光波段，為了在較低頻段(太赫茲、微波、毫米波)實現表面等離激元，人們提出了人工表面等離極化激元。文獻1X.P.Shen and T.J.Cui,“Ultrathin plasmonic metamaterial for spoof localized surface plasmons”,Laser Photonics Rev.8,137(2014)，公開了一種環形諧振器，如圖4所示，該諧振器由一條以上的光柵(3)圍合成圓形，光柵等間距周期性排布，圍合而成的內圓(4)為實心金屬圓。文獻2Y.J.Zhou,Q.Z.Xiao,B.J.Yang,Sci.Rep.,“Spoof localized surface plasmons on ultrathin textured MIM ring resonator with enhanced resonances”,5,14819(2015)，公開了一種環形諧振器，如圖5所示，該諧振器由一條以上的光柵(3)圍合成圓形，光柵等間距周期性排布，圍合而成的內圓(5)為空心圓，且光柵上嵌入金屬圓環(6)。這兩種結構的諧振器是在結構中間或者中部引入圓環或者圓盤結構，這樣表面電流的路徑長度過小，電尺寸較大。

窄帶、或者品質因數較高的諧振環結構在微波毫米波器件和天線、通信系統中有廣泛的應用。目前已有的人工表面等離激元諧振結構一般是在結構的內環部分形成等效電流環，因此往往電尺寸較大、品質因數較低、諧振強度較弱。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種具有較高品質因數、電尺寸較小的緊湊型諧振器，該諧振器可以工作在微波、毫米波和太赫茲頻段。本發明可用于諧振器及高靈敏度傳感器等設計。

本發明解決其技術問題是通過以下技術方案實現的：

一種基于人工表面等離激元的緊湊型閉環諧振器，包括一個圓環(1)和空心的金屬光柵(2)，所述金屬光柵(2)包括一條以上的光柵(21)，所述光柵(21)的一端與圓環(1)的內圓相接，另一端指向圓環(1)的圓心方向，且指向圓環(1)圓心的光柵一端圍成金屬光柵(2)的空心圓形間隙(22)。

進一步的，所述金屬光柵包括一條以上的光柵，所述金屬光柵沿圓環的內圓周向周期排列。

進一步的，通過改變圓環和金屬光柵的結構參數，可以調節各個諧振模式的頻點、強度和Q值，所述結構參數包括所述圓環的內外半徑、所述金屬光柵之間的距離、長度和寬度。

進一步的，所述諧振器為懸空的金屬結構；或者所述諧振器為印刷或刻蝕在基板上的金屬薄片結構。

本發明的有益效果為：

1、本發明的電尺寸很小。已有的表面等離激元諧振器，一般是在結構中間或者中部引入圓環或者圓盤結構，這樣表面電流的路徑長度遠遠小于本發明采用的結構最外側。本發明的尺寸可以達到工作波長的四分之一左右。

2、本發明的諧振強度大。在相同的物理尺寸下，表面電流路徑的改變可以使基模(偶極子)的諧振強度增強3dBsm以上，因而具有更強的諧振效率。這也使得本發明在應用于透射式器件和天線時具有更高的效率。

3、本發明具有高度靈敏性和高諧振品質因數。本發明的偶極子、四級子和六極子的Q值分別為17.81、146.5和634，遠高于同類型已有結構，從而為設計高靈敏度傳感器提供了可行方案。

4、本發明結構簡單，易于加工，且通過等比例縮放，可以工作在太赫茲及微波、毫米波頻段。

附圖說明

圖1是本發明的結構示意圖；

圖2是本發明的雷達散射界面仿真結果示意圖；

圖3是本發明在諧振頻點3.2GHz、5.28GHz、6.38GHz的近場電場測量結果示意圖；

圖4是文獻1中現有技術的環形諧振器結構示意圖；

圖5是文獻2中現有技術的環形諧振器結構示意圖。

具體實施方式

下面通過具體實施例對本發明作進一步詳述，以下實施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本發明的保護范圍。

如圖1所示，一種基于表面等離子體的緊湊型閉環諧振器，包括一個圓環1和空心的金屬光柵2，所述金屬光柵2包括一條以上的光柵21，所述光柵21的一端與圓環1的內圓相接，另一端指向圓環1的圓心方向，且指向圓環1圓心的光柵一端圍成金屬光柵2的空心圓形間隙22，也就是說，光柵21向圓心方向延伸出一定的長度，并在圓心附近留出一個小圓形間隙形成空心圓形間隙22。金屬光柵2包括一條以上的光柵，光柵沿圓環1的內圓周向周期排列。

圓環1和金屬光柵2的結構參數可調，且結構參數包括圓環1的內外半徑、金屬光柵2之間的距離、長度和寬度，通過改變這些參數，可以調節各個諧振模式的頻點、強度和Q值。

該諧振環結構可以由懸空的金屬構成，或是由附著在介質基板上的金屬薄片構成。附著在圓環1上的金屬光柵2可以形成等效媒質，并在入射波激勵下形成表面等離激元。當器件上表面電流的圓周等于表面波波長的整數倍，即2πr_g＝λ_g時，即可形成諧振。其中，r_g為表面電流的等效半徑，λ_g為等效的表面波波長。

該諧振器能夠集成在平面電路或自由空間中實現高Q值的濾波器功能，或實現高靈敏度的傳感器的功能，諧振器結構通過等比例縮放，可工作在太赫茲波、毫米波頻段。

如圖2所示，諧振頻點從低頻到高頻分別為偶極子、四級子、六極子，諧振頻點分別為3.2GHz、5.28GHz、6.34GHz；諧振強度分別為-56.76dBsm、-60.23dBsm、-78.61dBsm；Q值分別為17.81、146.5、634，該種基于表面等離子體的緊湊型閉環諧振器在24毫米的直徑下，偶極子諧振頻率可以降低到3.2GHz，且諧振強度可以達到-56.76dBsm，Q值達到17.81，六極子的諧振品質因數可以高達634。

如圖3所示，在三個諧振頻點3.2GHz、5.28GHz、6.38GHz下，可以清晰的觀察到偶極子、四級子和六極子的諧振模式，使得表面等離激元諧振器的性質可以完整的體現。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。