專利名稱：倏逝波諧振腔的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種倏逝波諧振腔，尤其涉及一種由超材料制成的倏逝波諧振腔。
背景技術(shù)：
倏逝波在光學(xué)領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的研究和應(yīng)用，當(dāng)一束光線從光密介質(zhì)向光疏介質(zhì)傳播時，若入射角大于臨界角，入射光線將全部反射回光密介質(zhì)中，這種現(xiàn)象稱為全反射。實驗表明，在全反射時光波在反射面的外側(cè)并不立即消失，而是透射進(jìn)入光疏介質(zhì)靠近界面附近很薄的一層表面，沿界面?zhèn)鞑ヒ欢ň嚯x，最后返回光密介質(zhì)，那么這種存在于界面附近的光波稱為倏逝波。也被稱為衰減波凋落波倏逝波是光學(xué)家研究的核心對象，其特點是振幅沿某個空間方向迅速地按指數(shù)規(guī)律下降而其相位無變化(相位常數(shù)3=0)?！?br> 倏逝波是一種非輻射近場波，包含很多近場精細(xì)結(jié)構(gòu)信息，在近場光學(xué)顯微鏡、光纖倏逝波生物傳感器、表面等離子體光學(xué)元件等方面都具有很廣泛的應(yīng)用。根據(jù)麥克斯韋(Maxwell)著名的電磁場動力學(xué)理論,確立了光與電磁波的同一丨I"生的重要學(xué)說。由上述理論可推導(dǎo)出當(dāng)電磁波在波導(dǎo)介質(zhì)中傳播時，微波頻率f小于波導(dǎo)的截止頻率fc時，電磁波被截止，即產(chǎn)生倏逝場。因此，在構(gòu)建同軸諧振腔體時必須滿足上述條件才有可能產(chǎn)生倏逝波。如圖I所示，即現(xiàn)有的產(chǎn)生倏逝波的同軸共振諧振腔10，諧振腔體200由兩個同軸的外圓柱型銅軸20和內(nèi)圓柱型銅軸21構(gòu)成，內(nèi)圓柱型銅軸21為實心體；在外圓柱型銅軸20和內(nèi)圓柱型銅軸21之間形成中空腔體22。在內(nèi)圓柱型銅軸21的上端金屬針尖201安置在共振腔的開端的中心導(dǎo)體上，金屬針尖201延至外殼體的表面附近的開口處100，使針尖恰好位于電磁波共振腔的峰值電位處，此峰值微波電場被轉(zhuǎn)至針尖，電磁波在針尖末端被截止而形成倏逝場。但是，上述圓柱型銅軸倏逝波諧振腔制造工藝要求苛刻且成本相對較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是使倏逝波諧振腔制造工藝簡單且降低了倏逝波諧振腔的設(shè)計、生產(chǎn)成本。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種倏逝波諧振腔包括一諧振腔本體，所述倏逝波諧振腔還包括由超材料制成的波導(dǎo)單元和設(shè)置于諧振腔本體內(nèi)的金屬針體，所述波導(dǎo)單元設(shè)置于所述諧振腔本體內(nèi)且包裹所述金屬針體；所述波導(dǎo)單元包括一第一波導(dǎo)區(qū)域，所述第一波導(dǎo)區(qū)域的介電常數(shù)從所述一端到另一端逐漸變小。進(jìn)一步地，所述波導(dǎo)單元還包括設(shè)置于第一波導(dǎo)區(qū)域的第一端的第二波導(dǎo)區(qū)域，所述第二波導(dǎo)區(qū)域的介電常數(shù)均勻不變的。進(jìn)一步地，所述第二波導(dǎo)區(qū)域的介電常數(shù)略大于第一波導(dǎo)區(qū)域的第一端的介電常數(shù)。進(jìn)一步地，所述諧振腔本體為采用金屬材料制成的圓柱形金屬腔體，所述金屬針體設(shè)置于圓柱形金屬腔體中心軸上。
進(jìn)一步地，所述第二波導(dǎo)區(qū)域由多片超材料片層疊加形成，每一超材料片層都對應(yīng)唯一的介電常數(shù)，每一超材料片層包括片狀基板和附著在所述片狀基板上的多個人造微結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步地，所述片狀基板選用陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料及鐵磁材料中的任意一種。進(jìn)一步地，所述每一超材料片層劃分為多個陣列排布的立方形基材單元，同一片狀基板的每個基材單元完全相同。進(jìn)一步地，所述人造微結(jié)構(gòu)是以幾何圖案附著在所述片狀基板上 的金屬線，金屬線可以是剖面為圓柱狀或者扁平狀的銅線和銀線；所述金屬線通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻工藝附著在片狀基板上。進(jìn)一步地，所述人造微結(jié)構(gòu)為平面結(jié)構(gòu)且其附著在片狀基板表面上或者所述人造 微結(jié)構(gòu)為三維立體結(jié)構(gòu)且附著在片狀基板內(nèi)部。進(jìn)一步地，所述人造微結(jié)構(gòu)為工字形的衍生形、雪花狀、雪花狀的衍生形、正四面體框、五棱柱框及圓環(huán)中的任意一種。相對于現(xiàn)有技術(shù)，在諧振腔內(nèi)填充介電常數(shù)逐漸變化超材料，當(dāng)電磁波在諧振腔傳播時，從傳導(dǎo)模逐漸變成截止模而產(chǎn)生倏逝場，從而使倏逝波諧振腔制造工藝簡單且降低了倏逝波諧振腔的設(shè)計、生產(chǎn)成本。


圖I為現(xiàn)有技術(shù)的圓柱型銅軸的倏逝波諧振腔橫截面示意圖。圖2為本發(fā)明一實施方式中由超材料制成的倏逝波諧振腔立體示意圖。圖3為圖2所示倏逝波諧振腔橫截面示意圖。圖4為圖2所示倏逝波諧振腔中的波導(dǎo)單元介電常數(shù)漸變示意圖。圖5是圖4所示波導(dǎo)單元的介電常數(shù)漸變超材料結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為圖4所示波導(dǎo)單元中的另一種‘雪花狀’人造微結(jié)構(gòu)。圖7為圖4所示波導(dǎo)單元中的人造微結(jié)構(gòu)的一種具體形式‘雪花狀’結(jié)構(gòu)的又一種衍生結(jié)構(gòu)。圖8為圖4所示波導(dǎo)單元中的一種正四面體的人造微結(jié)構(gòu)。
具體實施例方式下面結(jié)合相關(guān)附圖及具體實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的描述圖2為本發(fā)明一實施方式中倏逝波諧振腔立體示意圖。所述倏逝波諧振腔11包括諧振腔本體31、在諧振腔本體31內(nèi)填充由超材料制成的波導(dǎo)單元33及設(shè)置于諧振腔本體31內(nèi)的一金屬針體35。所述金屬針體35包裹于所述波導(dǎo)單元33中。在本實施方式中，所述諧振腔本體31采用金屬材料制成的圓柱形金屬腔體，所述金屬針體35設(shè)置于圓柱形金屬腔體中心軸上，所述波導(dǎo)單元33設(shè)置于諧振腔本體31與金屬針體35之間。請一并參閱圖3，為倏逝波諧振腔橫截面示意圖。所述波導(dǎo)單元33的是不均勻的，即其介電常數(shù)e從波導(dǎo)單元33的一端到另一端逐漸變小。當(dāng)電磁波從倏逝波諧振腔11介電常數(shù)e大的一端射入后并在波導(dǎo)單元33中傳播時，由于波導(dǎo)單元33介電常數(shù)e逐漸變小，電磁波在波導(dǎo)單元33和金屬針35的作用下，使電磁波頻率f小于波導(dǎo)單元33的截止頻率fc而被截止，從而在第二端13的金屬針體35末端附近空間產(chǎn)生倏逝場。當(dāng)該金屬腔體內(nèi)未填充所述超材料制成的波導(dǎo)單元33時，且其尺寸或橫截面面積設(shè)計足夠小的情況下，即不能滿足電磁波波長傳播條件時，電磁波無法在金屬腔體內(nèi)傳播。當(dāng)金屬腔體填充超材料制成的波導(dǎo)單元33后，傳輸電磁波的介質(zhì)的介電常數(shù)e增加，無形增大了金屬腔體橫截面而得以使電磁波在所述倏逝波諧振腔11內(nèi)傳播，這樣也實現(xiàn)了諧振腔本體31小型化，節(jié)約了制造諧振腔本體31的材料。請參閱圖4，為所述倏逝波諧振腔的波導(dǎo)單元介電常數(shù)漸變示意圖。在本實施方式中，波導(dǎo)單元33包括第一波導(dǎo)區(qū)域301和第二波導(dǎo)區(qū)域302，第一波導(dǎo)區(qū)域301包括第一端15和第二端13，從一波導(dǎo)區(qū)域301的第一端15到第二端13的介電常數(shù)e是逐漸變化的，即其介電常數(shù)h，e2，e 3，. . . ％逐漸變化，其中ep e 2 > e 3 > > en，n為自然數(shù)。所述第一波導(dǎo)區(qū)域301的介電常數(shù)e均勻不變的且略大于第一波導(dǎo)區(qū)域301的第一端的介電常數(shù)。第二波導(dǎo)區(qū)域302的?！ひ韵聦Τ牧现瞥傻牟▽?dǎo)單元設(shè)計做詳細(xì)的說明第二波導(dǎo)區(qū)域302的設(shè)計如圖5所示，為波導(dǎo)單元33的第二波導(dǎo)區(qū)域302部分結(jié)構(gòu)示意圖。所述第二波導(dǎo)區(qū)域302由多片超材料片層疊加形成，所述每一材料片層都對應(yīng)唯一的介電常數(shù)(ee2、、、en，其中e2>、、、> en)。每一材料片層包括片狀基板2和附著在片狀基板2上的多個人造微結(jié)構(gòu)3。所述片狀基板2的基材單元上的人造微結(jié)構(gòu)的尺寸大小相同，由此使得所述超材料片層2上各個區(qū)域的等效介電常數(shù)e不變，即為介電常數(shù)均勻分布的超材料片層。所述每一片片狀基板2劃分為多個陣列排布的立方形基材單元，每個基材單元完全相同，每個基材單元與其上的人造微結(jié)構(gòu)構(gòu)成一個超材料單元。人造微結(jié)構(gòu)3附著在片狀基板上包括有兩種情況一種是人造微結(jié)構(gòu)3為平面結(jié)構(gòu)，其附著在片狀基板2前表面上；另一種是人造微結(jié)構(gòu)3為三維立體結(jié)構(gòu)，其附著在片狀基板2內(nèi)部。每個人造微結(jié)構(gòu)3通常是由銀、銅等金屬絲線組成的，也可以由非金屬絲線組成。這些絲線連接被刻在片狀基板2表面或內(nèi)部并構(gòu)成一定的幾何圖形。將片狀基板2劃分成很多個相等的立方體基材單元，例如為長、寬、高均為入射電磁波波長的十分之一的立方體，每個基材單元與其上的人造微結(jié)構(gòu)構(gòu)成一個超材料單元，附圖中只是示意性的，實際應(yīng)用時，每個超材料片層2包括數(shù)以萬計的超材料單元。上述片狀基板2采用介電絕緣材料制成，可以為陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料、鐵磁材料等，例如環(huán)氧樹脂、聚四氟乙烯等高分子材料。人造微結(jié)構(gòu)為以一定的幾何形狀附著在片狀基板2上的金屬線，金屬線可以是剖面為圓柱狀或者扁平狀的銅線、銀線等，當(dāng)然金屬線的剖面也可以為其他形狀，金屬線通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻等工藝附著在片狀基板上。所述第一波導(dǎo)區(qū)域301中的人造微結(jié)構(gòu)尺寸從一端(即相當(dāng)于圖3中第一端15)到另一端(即相當(dāng)于圖3中第二端13)逐漸變小，在第一波導(dǎo)區(qū)域301的底端的超材料層中雪花狀人造微結(jié)構(gòu)的尺寸最大，而在第一波導(dǎo)區(qū)域301的頂端的超材料層中雪花狀人造微結(jié)構(gòu)的尺寸最?。灰虼似涞刃Ы殡姵?shù)e由從一端到另一端逐漸變小。從而采用介電常數(shù)e逐漸變化的如圖5所示片狀基板疊加形成所述第一波導(dǎo)區(qū)域301。另外，上述實施例中，通過每一片狀結(jié)構(gòu)中的人造微結(jié)構(gòu)3按一定比例逐漸縮小來實現(xiàn)介電常數(shù)的規(guī)律分布，當(dāng)然，也可以通過逐漸減短人造微結(jié)構(gòu)的某一根或幾根絲線從而使基材單元的絲線含量逐漸減少從而達(dá)到介電常數(shù)逐漸減小的目的。在其他實施例中，三維的人造微結(jié)構(gòu)3也有很多種實現(xiàn)方式，可以是圖6所示的在三維空間中各條邊相互垂直的雪花狀及圖7所示的雪花狀的衍生結(jié)構(gòu)，也可以是其他的幾何形狀，其中不同的人造微結(jié)構(gòu)可以是圖案相同，還可以如圖8所示的由四根金屬絲相接構(gòu)成的正四面體框，還可以是其他任意三維結(jié)構(gòu)如任意空間曲線、五棱柱框、圓環(huán)等等。第二波導(dǎo)區(qū)域302的設(shè)計由上可知，采用介電常數(shù)￡相同至少一片片狀基板2疊加形成所述第二波導(dǎo)區(qū)域 302即可。本發(fā)明的使用介電常數(shù)逐漸變化的片狀基板疊加來實現(xiàn)，即改變每個超材料片層上的人造微結(jié)構(gòu)即可改變相應(yīng)部位的介電常數(shù)，因此通過統(tǒng)一設(shè)計各個人造微結(jié)構(gòu)的具體形狀和結(jié)構(gòu)即可得到有序變化的介電常數(shù)，從而形成非均勻且介電常數(shù)漸變的材料，進(jìn)而實現(xiàn)電磁波在介電常數(shù)逐漸變小超材料傳播時使電磁波頻率f小于截止頻率fc而被截止，即產(chǎn)生倏逝場。從而降低制造倏逝場諧振腔制造工藝的難度，進(jìn)一步降低制造成本。因此，上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式
，上述的具體實施方式
僅僅是示意性的，而不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種倏逝波諧振腔，包括一諧振腔本體，其特征在于，所述倏逝波諧振腔還包括由超材料制成的波導(dǎo)單元和設(shè)置于諧振腔本體內(nèi)的金屬針體，所述波導(dǎo)單元設(shè)置于所述諧振腔本體內(nèi)且包裹所述金屬針體；所述波導(dǎo)單元包括一第一波導(dǎo)區(qū)域，所述第一波導(dǎo)區(qū)域包括一第一端和一第二端，所述第一波導(dǎo)區(qū)域的介電常數(shù)從所述第一端到第二端逐漸變小。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的倏逝波諧振腔，其特征在于，所述波導(dǎo)單元還包括設(shè)置于第一波導(dǎo)區(qū)域的第一端的第二波導(dǎo)區(qū)域，所述第二波導(dǎo)區(qū)域的介電常數(shù)均勻不變。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的倏逝波諧振腔，其特征在于，所述第二波導(dǎo)區(qū)域的介電常數(shù)略大于第一波導(dǎo)區(qū)域的第一端的介電常數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的倏逝波諧振腔，其特征在于，所述諧振腔本體為采用金屬材料制成的圓柱形金屬腔體，所述金屬針體設(shè)置于圓柱形金屬腔體中心軸上。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的倏逝波諧振腔，其特征在于，所述第二波導(dǎo)區(qū)域由多片超材料片層疊加形成，每一超材料片層都對應(yīng)唯一的介電常數(shù)，每一超材料片層包括片狀基板和附著在所述片狀基板上的多個人造微結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的倏逝波諧振腔，其特征在于，所述片狀基板選用陶瓷材料、高分子材料、鐵電材料、鐵氧材料及鐵磁材料中的任意一種材料制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的倏逝波諧振腔，其特征在于，所述每一片狀基板劃分為多個陣列排布的立方形基材單元，同一片狀基板的每個基材單元完全相同，每個基材單元與其上的人造微結(jié)構(gòu)構(gòu)成一個超材料單元。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的倏逝波諧振腔，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)是以幾何圖案附著在所述片狀基板上的金屬線，金屬線可以是剖面為圓柱狀或者扁平狀的銅線和銀線；所述金屬線通過蝕刻、電鍍、鉆刻、光刻、電子刻或離子刻工藝附著在片狀基板上。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的倏逝波諧振腔，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)為平面結(jié)構(gòu)且其附著在片狀基板表面上或者所述人造微結(jié)構(gòu)為三維立體結(jié)構(gòu)且附著在片狀基板內(nèi)部。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的倏逝波諧振腔，其特征在于，所述人造微結(jié)構(gòu)為工字形的衍生形、雪花狀、雪花狀的衍生形、正四面體框、五棱柱框及圓環(huán)中的任意一種。
全文摘要
一種倏逝波諧振腔包括一諧振腔本體、由超材料制成的波導(dǎo)單元和設(shè)置于諧振腔本體內(nèi)的金屬針體，所述波導(dǎo)單元設(shè)置于所述諧振腔本體內(nèi)且包裹所述金屬針體；所述波導(dǎo)單元包括一第一波導(dǎo)區(qū)域，所述第一波導(dǎo)區(qū)域包括一第一端和一第二端，所述第一波導(dǎo)區(qū)域的介電常數(shù)從所述第一端到第二端逐漸變小。通過在諧振腔內(nèi)填充介電常數(shù)逐漸變化超材料，當(dāng)電磁波在諧振腔傳播時，從傳導(dǎo)模逐漸變成截止模而產(chǎn)生倏逝場，從而使倏逝波諧振腔制造工藝簡單且降低了倏逝波諧振腔的設(shè)計、生產(chǎn)成本。
文檔編號H01P7/06GK102751556SQ201110102018
公開日2012年10月24日 申請日期2011年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月22日
發(fā)明者劉若鵬, 張洋洋, 徐冠雄, 王文劍 申請人:深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司, 深圳光啟高等理工研究院