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证明了两块表面具有亚波长凹槽结构的金属板平行放置构成的褶皱金属结构平板波导与等离子体辅助平板波导存在相同点和不同点;并且设计了凹槽深度渐变的对称褶皱金属结构平板波导来实现传输模和表面模的相互转换。研究表明,由于在波导中间区域场分布和能量主要集中在褶皱表面,放入其中的理想导体圆柱不影响其场分布和传输特性,即深度渐变的对称褶皱金属结构平板波导具有隐形效应;褶皱金属结构平板波导阻带上边带截止频率随放入褶皱内样品的介电常数呈线性变化,能够用于介质传感;以柴油、液态石蜡和橄榄油等样品的检测为例,证实了其太赫兹传感特性。该工作对研究褶皱金属结构平板波导的应用,探索其在太赫波的传输、调控以及太赫器件研制等方面具有指导意义。
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书书书
第
35
卷
光
学
学
报
光学前沿———光电技术
2015
年
7
月
犃犆犜犃犗犘犜犐犆犃犛犐犖犐犆犃
专
刊
褶皱金属结构平板波导传输特性研究
杨剑锋
1
杨晶晶
1
闫
肃
2
邓
伟
1
黄
铭
1
,
3
1
云南大学无线创新实验室 信息学院,云南 昆明
650091
2
北京理工大学信息与电子学院,北京
100081
3
云南省高校谱传感与边疆无线电安全重点实验室,云南 昆明
650091
摘要
证明了两块表面具有亚波长凹槽结构的金属板平行放置构成的褶皱金属结构平板波导与等离子体辅助平
板波导存在相同点和不同点
;并且设计了凹槽深度渐变的对称褶皱金属结构平板波导来实现传输模和表面模的相
互转换
。研究表明,由于在波导中间区域场分布和能量主要集中在褶皱表面,放入其中的理想导体圆柱不影响其
场分布和传输特性,即深度渐变的对称褶皱金属结构平板波导具有隐形效应;褶皱金属结构平板波导阻带上边带
截止频率随放入褶皱内样品的介电常数呈线性变化,能够用于介质传感;以柴油、液态石蜡和橄榄油等样品的检测
为例,证实了其太赫兹传感特性。该工作对研究褶皱金属结构平板波导的应用,探索其在太赫波的传输、调控以及
太赫器件研制等方面具有指导意义。
关键词
材料;褶皱金属;平板波导;表面等离子体;太赫兹波
中图分类号
O441
文献标识码
A
犱狅犻
:
10.3788
/
犃犗犛201535.狊116004
收稿日期:
20150106
;收到修改稿日期:
20150310
基金项目:国家自然科学基金(
61161007
,
61261002
,
61461052
)、教育部博士点基金(
20135301110003
,
20125301120009
)、中
国博士后基金(
2013犕531989
,
2014犜70890
)、云南省自然科学基金重点项目(
2013犉犃006
)
作者简介:杨剑锋(
1988
—),男,硕士研究生,主要从事微波及超材料方面的研究。
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:
408671175
@
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导师简介:黄
铭(
1963
—),男,博士,教授,主要从事微波、超材料及谱传感方面的研究。
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(通信联系人)
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160.3918
;
240.6680
;
230.7400
;
120.7000
1
引
言
二氧化硅光纤用于光信号的传输,硅集成电路用于电信号的处理,它们是现代通信和计算机系统的基
石。现已证明,表面等离子体激元(
SPPs
)是光电信号处理的桥梁,利用它进行波矢变换可实现光与电子系
统的无缝连接
[
1
]
。
SPPs
是在金属与介质分界面上光和自由电子相互作用的形成的混合激发态,其振幅在分
界面上有最大值,而在垂直方向上呈指数衰减
[
2
,
3
]
。由于光场分布和能量的局域性,
SPPs
被广泛用于集成光
学、化学和生物传感
[
411
]
。另外,表面增强拉曼、自体荧光及二次谐波产生成像等技术均与
SPPs
密切相
关
[
1214
]
。由于金属的等离子体频率在光频段,因此金属在太赫兹波段的介电常数与可见光波段相比非常大,
近似为理想导体,使得太赫兹波段
SPPs
在金属表面的场约束性能很差,从而限制了其在太赫兹波段的应
用。为了解决这个问题,
Pendr
y
等
[
15
,
16
]
提出了类表面等离子体激元的概念。研究表明,在金属表面设计凹
槽和亚波长小孔能够实现场的亚波长约束,从而为在微波和太赫兹频段应用
SPPs
效应开辟了有效途径。
将
SPPs
的概念推广到微波和太赫兹频段有助于获得高度约束的电磁波,并将太赫兹波器件的尺寸减小到
亚波长量级以实现高度集成。
现已证明,褶皱金属结构类 表面
SPPs
模式的局 域性及可 调性不仅 可以用于 减少传输 线之间的 串
扰
[
17
,
18
]
,而且可以用于控制太赫兹源的辐射
[
19
]
、激光增强
[
2022
]
、模式转换
[
2325
]
、改进天线和传感器性能
[
2627
]
等许多方面。然而,目前文献报道的研究工作都集中在低频段单层褶皱金属结构与
SPPs
的相似性及其应
用方面,它们在高频段电磁特性的差异及双层褶皱间的耦合与波导传输特性尚未见报道。本文研究了褶皱
金属结构平板波导(
CMPPW
)的传输模、表面模以及阻带特性,并与等离子体辅助平板波导(
PPPW
)进行了
比较
,分析了两者的相似之处及各自的特征;研究了褶皱结构几何参数对传输特性的影响,并通过调整褶皱
结构的深度设计深度渐变的对称
CMPPW
波导实现了传输模与表面模的相互转换;分析了对称
CMPPW
波
导内部由于场分布和能量局域在褶皱表面而产生的斗篷效应,并探讨了波导的传感应用。
2
波导模型及传输特性
2.1
波导模型
图
1
为两种波导模型,其结构在
狔
和
狕
方向上无限延伸,中间浅蓝色区域
0
是厚度为
犵
的空气层。图
1
(
a
)是
PPPW
波导模型,图中
狓
=-
犵
/
2
-
犱
和
狓
=
犵
/
2
+
犱
的边界为完美导体(
PEC
)边界;黄色区域
1
、
2
是
厚度为
犱
的等离子体材料(
PM
),其等效介电常数为
ε
(
ω
)
=
ε
∞
-
ω
2
狆
(
ω
2
+
i
ωΓ
)
,其中
ω
狆
是等离子体角频率,
Γ
是等离子体碰撞频率,
ω
是角频率,
ε
∞
是背景材料的介电常数。图
1
(
b
)是
CMPPW
波导模型,图中
PEC
平
板波导内侧为褶皱金属结构,
犪
为凹槽宽度,
犱
为周期,
犺
为深度,凹槽内填充空气。
图
1
波导模型。(
a
)
PPPW
;(
b
)
CMPPW
Fi
g
.1 Wave
g
uidemodel.
(
a
)
PPPW
;(
b
)
CMPPW
2.2
波导的传输特性
色散关系描述了波导的传输特性,
PPPW
波导结构的色散关系为
[
28
]
:当
β
<
犽
0
时,
tan
(
β
犪
犵
/
2
)/
tan
犺
(
β
犫
犱
)
=
β
犫
/[
ε
(
ω
)
β
犪
],
cot
(
β
犪
犵
/
2
)/
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波导的色散关系为
[
23
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犽
0
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s1160042
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