專利名稱：一種能實現(xiàn)光速減慢的亞波長金屬微結(jié)構(gòu)陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及實現(xiàn)光速減慢的透射結(jié)構(gòu)技術(shù)，特別是一種能實現(xiàn)光速減慢的亞波長 金屬微結(jié)構(gòu)陣列。
背景技術(shù)：
實現(xiàn)對電磁波波速的調(diào)控有很重要的意義，不僅能加深對光與物質(zhì)相互作用機制 的理解，而且在其它許多方面也有重要的應(yīng)用前景。光速減慢，意味著電磁波在介質(zhì)中的傳 播速度遠小于其在真空中的傳播速度，在全光網(wǎng)絡(luò)、光存儲、光學通訊、光學計算技術(shù)和增 強非線性效應(yīng)等方面有著潛在的巨大應(yīng)用。在潛在巨大應(yīng)用前景的推動下，研究工作者發(fā) 展了各種各樣的方法來實現(xiàn)光速減慢，例如在原子氣體系中的電磁感應(yīng)透明、在經(jīng)典線性 系統(tǒng)中的類電磁感應(yīng)透明現(xiàn)象及微腔耦合陣列等。在經(jīng)典線性系統(tǒng)中，類電磁感應(yīng)透明現(xiàn) 象可以克服原子氣體系中的電磁感應(yīng)透明效應(yīng)對溫度、壓強等條件的苛刻要求，而且不需 要另加的泵浦光，這些優(yōu)點使得在室溫條件下實現(xiàn)光速減慢成為可能。2008年，英國南安普敦大學的Zheludev小組，首先從理論和實驗上在平板特異介 質(zhì)中實現(xiàn)了類電磁感應(yīng)透明現(xiàn)象，成果發(fā)表在Phys. Rev. Lett.上；與此同時加州理工大學 伯克利分校的張翔小組，也在理論上提出了在特異介質(zhì)中實現(xiàn)類電磁感應(yīng)透明現(xiàn)象的相關(guān) 理論，該成果也發(fā)表在Phys. Rev. Lett.上。由于以金屬微結(jié)構(gòu)陣列構(gòu)成的特異介質(zhì)具有可 塑性，其在傳輸方向的厚度遠小于電磁波的波長，而且不需要泵浦光的參與，這些具大的優(yōu) 點對于潛在的實際應(yīng)用能提供積極的意義。綜上所述，結(jié)構(gòu)簡單而且易于加工的金屬微結(jié)構(gòu)陣列，以實現(xiàn)類電磁感應(yīng)透明現(xiàn) 象，從而達到光速減慢的效果，具有非常重要的意義。可以運用到許多具有推廣前景的實際 應(yīng)用中，而且工作波長可以從微波延伸到可見光波段。但是現(xiàn)有技術(shù)中，金屬微結(jié)構(gòu)陣列的 結(jié)構(gòu)設(shè)計和制備方法比較復雜且不容易加工。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述存在問題，提出一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低、加工容易、適用 面廣的能實現(xiàn)光速減慢的亞波長金屬微結(jié)構(gòu)陣列。本發(fā)明的技術(shù)方案—種能實現(xiàn)光速減慢的亞波長金屬微結(jié)構(gòu)陣列，包括亞波長金屬微結(jié)構(gòu)陣列和襯 底層，亞波長金屬微結(jié)構(gòu)陣列支撐于襯底層的單面，構(gòu)成亞波長金屬微結(jié)構(gòu)陣列的單元由 一條連續(xù)金屬線和兩條金屬短線構(gòu)成，兩條金屬短線分別位于連續(xù)金屬線的兩邊，連續(xù)金 屬線與金屬短線之間設(shè)有間距，金屬短線的長度小于連續(xù)金屬線的長度，入射的電磁波為s 偏振(電場方向沿著金屬線方向)正入射，亞波長金屬微結(jié)構(gòu)陣列的周期小于電磁波的波 長，其在傳輸方向的厚度為電磁波波長的十分之一至五分之一。所述構(gòu)成亞波長金屬微結(jié)構(gòu)陣列的單元，在微波區(qū)間，單元尺寸為4mmX8mm;連 續(xù)金屬線采用銅片，其厚度為18 u m、寬度為2mm ；金屬短線采用銅片，其厚度為18 u m、寬度為0. 5mm、長度為7mm ；連續(xù)金屬線與金屬短線之間的間距為0. 5mm ；微波區(qū)間的工作頻率為 14.26GHz。所述構(gòu)成亞波長金屬微結(jié)構(gòu)陣列的單元，在THz區(qū)間，單元尺寸為40iimX80iim ； 連續(xù)金屬線采用金片，其厚度為200nm、寬度為20 y m ；金屬短線采用金片，其厚度為200nm、 寬度為5 u m、長度為70 y m ；連續(xù)金屬線與金屬短線之間的間距為5 u m ；微波區(qū)間的工作頻 率為 1. 5THz。所述能實現(xiàn)光速減慢的亞波長金屬微結(jié)構(gòu)陣列，其特征是微波工作區(qū)間，襯底層 為CGN500-NF-3006該電路板的介電層；THz工作區(qū)間，襯底層為介電常數(shù)為11. 7的硅。本發(fā)明的工作原理該結(jié)構(gòu)的光速減慢特性基于在經(jīng)典光學范疇內(nèi)的類電磁感應(yīng)透明機制，通過該金 屬微結(jié)構(gòu)陣列的s偏振的電磁波具有遠小于真空中光速的群速度，而且通過改變微結(jié)構(gòu)單 元內(nèi)金屬線的間距和對稱性，調(diào)節(jié)工作波長和群速度大小。不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)對應(yīng)于不同的 波長，所以可以實現(xiàn)從可見光到中紅外乃至微波區(qū)間的特殊濾波要求。對于入射到只存在金屬短線的微結(jié)構(gòu)陣列的s偏振正入射光，存在著基于局域共 振的諧振模式，對應(yīng)著最低激發(fā)模式的偶極共振，在透射譜上會出現(xiàn)一個谷，對應(yīng)著強反 射；而對于入射到只存在連續(xù)金屬線的微結(jié)構(gòu)陣列的s偏振入射光，該微結(jié)構(gòu)陣列的電磁 波特性類比于稀釋的電子氣；當兩種金屬線經(jīng)過適當?shù)慕M合，由于存在著耦合作用，連續(xù)金 屬線在微結(jié)構(gòu)單元內(nèi)部提供了金屬短線的映像結(jié)構(gòu)，從而在某一頻率區(qū)間會出現(xiàn)一個由于 耦合作用造成透明窗口，在該透明窗口電磁波的群速度要遠小于真空中的光速，從而實現(xiàn) 光速減慢。該透明窗口出現(xiàn)的物理機制是近場耦合效應(yīng)導致的金屬線間反對稱表面電流模 式。在遠場區(qū)，具有反對稱性的表面電流模式相互干涉相消，從而很大程度上降低了輻射損 耗，增強了透射率。該模式通常被稱為陷模或者是亞輻射模式。由于該模式與外界電磁背 景的相互作用很弱，可以在很薄的樣品(小于五分之一波長)中實現(xiàn)高品質(zhì)因子的諧振，從 而實現(xiàn)光速減慢。對于多層結(jié)構(gòu)而言，層與層之間的耦合會影響光速減慢和透明窗口的位置。在級 聯(lián)多層結(jié)構(gòu)中獲得更高的光速減慢效果時，須盡量減弱層與層之間的耦合引起的效應(yīng)。可以根據(jù)需要設(shè)計實際的微結(jié)構(gòu)參數(shù)，選取合適的材料?？梢姽獠ǘ涡枰紤]金 屬色散的影響，為了降低金屬的損耗，可選用金或銀。本發(fā)明的優(yōu)點是該亞波長金屬微結(jié)構(gòu)陣列可以實現(xiàn)電磁波傳播速度減慢，利用 這種器件，在一定的波長范圍內(nèi)，實現(xiàn)不同電磁應(yīng)用要求，包括光信號存儲及緩沖、光通訊、 光學計算和增強的非線性效應(yīng)等；該亞波長金屬微結(jié)構(gòu)陣列結(jié)構(gòu)簡單、制備容易且制備材 料獲取方便，適用范圍非常廣泛，從微波波段到可見光波段均可實現(xiàn)無高階衍射模式噪音 的各種應(yīng)用。


圖1為構(gòu)成亞波長金屬微結(jié)構(gòu)陣列的單元結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1.連續(xù)金屬線 2-I、2_II金屬短線 3.襯底層
具體實施例方式實施例1 微波區(qū)間的光速減慢效應(yīng)一種能實現(xiàn)光速減慢的亞波長金屬微結(jié)構(gòu)陣列，包括亞波長金屬微結(jié)構(gòu)陣列和襯 底層，襯底層采用雙面鍍銅的商業(yè)電路板CGN500-NF-3006，其介電參數(shù)為2. 3、損耗因子為 0. 0008、厚度為0. 5mm，構(gòu)成亞波長金屬微結(jié)構(gòu)陣列的單元的金屬線采用厚度為18 y m銅 片并通過刻蝕技術(shù)去掉電路板一面的銅，另一面刻蝕微結(jié)構(gòu)單元，設(shè)定工作頻率為14GHz 附近，選取的微結(jié)構(gòu)單元大小為4mmX8mm、連續(xù)金屬線的寬度為2mm、連續(xù)金屬線兩邊金 屬短線的長度均為為7mm、寬度為0. 5mm、對稱分布，連續(xù)金屬線與金屬短線之間的間距為 0. 5mmo通過測量獲得工作頻率在14. 26GHz的透明窗口，該窗口的透射率接近于1，而且 群有效折射率為17. 64，電磁波的群速度減慢為真空光速的0. 06。通過調(diào)節(jié)單元內(nèi)連續(xù)金屬線的寬度(0. 1-2. 9mm)，可以實現(xiàn)工作頻率和群有效折 射率的雙重調(diào)節(jié)，即增加連續(xù)金屬線的寬度，可以增加群有效折射率(4-50)，從而進一步實 現(xiàn)光速減慢，但是這也會調(diào)節(jié)工作頻率(10. 15-15. 93GHz)。通過調(diào)節(jié)單元內(nèi)連續(xù)金屬線中心相對于中心對稱軸的位置(0-0. 4_)，群有效折 射率的調(diào)節(jié)范圍為17. 64-23. 00。對于多層的級聯(lián)結(jié)構(gòu)，以兩層微結(jié)構(gòu)單元為例，微結(jié)構(gòu)單元在光傳播方向的長度 取為4_ (0. 19 A),對于兩層的微結(jié)構(gòu)單元，有效厚度為8mm，可以實現(xiàn)2. 9倍于單層微結(jié)構(gòu) 單元的延時。實施例2 高頻區(qū)間的光速減慢效應(yīng)對于微波區(qū)間，由于特征波長長，因而所構(gòu)成的微結(jié)構(gòu)單元的尺度也相應(yīng)的取較 大值，制備精度采用傳統(tǒng)的電路板刻蝕工藝已滿足其需求。但是對于高頻區(qū)間，特別是可見 光波段，對微加工技術(shù)的要求會越來越苛刻。通常可以先通過磁控濺射工藝制作單層金屬 薄膜，然后用聚焦離子束刻蝕方法制作微結(jié)構(gòu)陣列。所述幾何尺寸是根據(jù)工作波長范圍給 定的，所以波長越長，幾何尺寸可以越大。該實施例中，構(gòu)成亞波長微結(jié)構(gòu)陣列的金屬為金片(選取其電導為7X 106S/m)， 厚度為200nm ；襯底層的介電常數(shù)取為11. 7，厚度取為200nm ；金屬微結(jié)構(gòu)陣列的幾何結(jié)構(gòu) 參數(shù)選取如下單元尺寸為4011111\8011111、連續(xù)金屬線的寬度為20 iim、金屬短線的長度 為70i!m、寬度均為5i!m，對稱分布于連續(xù)金屬線兩側(cè)，連續(xù)金屬線與金屬短線的間距為 511111，在傳播方向的有效厚度取為4011111(0.2入)。檢測顯示獲得工作頻率為1.5THz，所得 到的有效的群折射率為25，電磁波的群速度減為真空中光速的0. 04。同樣的通過調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)，連續(xù)金屬線的位置，也可以獲得在微波區(qū)間類似的變 化特性。但是由于微加工工藝的限制，加工樣品時應(yīng)該充分考慮工藝的限制。
權(quán)利要求
一種能實現(xiàn)光速減慢的亞波長金屬微結(jié)構(gòu)陣列，其特征是包括亞波長金屬微結(jié)構(gòu)陣列和襯底層，亞波長金屬微結(jié)構(gòu)陣列支撐于襯底層的單面，構(gòu)成亞波長金屬微結(jié)構(gòu)陣列的單元由一條連續(xù)金屬線和兩條金屬短線構(gòu)成，兩條金屬短線分別位于連續(xù)金屬線的兩邊，連續(xù)金屬線與金屬短線之間設(shè)有間距，金屬短線的長度小于連續(xù)金屬線的長度，入射的電磁波為s偏振(電場方向沿著金屬線方向)正入射，亞波長金屬微結(jié)構(gòu)陣列的周期小于電磁波的波長，其在傳輸方向的厚度為電磁波波長的十分之一至五分之一。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述能實現(xiàn)光速減慢的亞波長金屬微結(jié)構(gòu)陣列，其特征是所述構(gòu) 成亞波長金屬微結(jié)構(gòu)陣列的單元，在微波區(qū)間，單元尺寸為4mmX8mm;連續(xù)金屬線采用銅 片，其厚度為18 U m、寬度為2mm ；金屬短線采用銅片，其厚度為18 u m、寬度為0. 5mm、長度為 7mm ；連續(xù)金屬線與金屬短線之間的間距為0. 5mm ；微波區(qū)間的工作頻率為14. 26GHz。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述能實現(xiàn)光速減慢的亞波長金屬微結(jié)構(gòu)陣列，其特征是所述構(gòu) 成亞波長金屬微結(jié)構(gòu)陣列的單元，在THz區(qū)間，單元尺寸為40 y mX80 y m ；連續(xù)金屬線采用 金片，其厚度為200nm、寬度為20 y m ；金屬短線采用金片，其厚度為200nm、寬度為5 y m、長 度為70 y m ；連續(xù)金屬線與金屬短線之間的間距為5 ym ；微波區(qū)間的工作頻率為1. 5THz。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述能實現(xiàn)光速減慢的亞波長金屬微結(jié)構(gòu)陣列，其特征是微波工 作區(qū)間，襯底層為CGN500-NF-3006該電路板的介電層；THz工作區(qū)間，襯底層為介電常數(shù)為 11. 7的硅。
全文摘要
一種能實現(xiàn)光速減慢的亞波長金屬微結(jié)構(gòu)陣列，包括亞波長金屬微結(jié)構(gòu)陣列和襯底層，構(gòu)成亞波長金屬微結(jié)構(gòu)陣列的單元由一條連續(xù)金屬線和兩條金屬短線構(gòu)成，連續(xù)金屬線與金屬短線之間設(shè)有間距，入射的電磁波為s偏振正入射，亞波長金屬微結(jié)構(gòu)陣列的周期小于電磁波的波長。本發(fā)明的優(yōu)點是該亞波長金屬微結(jié)構(gòu)陣列可以實現(xiàn)電磁波傳播速度減慢；該亞波長金屬微結(jié)構(gòu)陣列結(jié)構(gòu)簡單、制備容易且制備材料獲取方便，適用范圍非常廣泛，利用這種器件，在一定的波長范圍內(nèi)，實現(xiàn)不同電磁應(yīng)用要求，包括光信號存儲及緩沖、光通訊、光學計算和增強的非線性效應(yīng)等。
文檔編號H01P1/20GK101876756SQ20091022803
公開日2010年11月3日 申請日期2009年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月6日
發(fā)明者婁凱, 康明, 李勇男, 李思黽, 汪喜林, 王慧田, 陳璟 申請人:南開大學