混合型的金属?介质ssp周期光栅系统及其用途和方法
【专利摘要】本发明公开了一种混合型的金属?介质SSP周期光栅系统及其用途和方法。本发明采用混合型的金属?介质SSP周期光栅，能够兼顾现有SSP周期金属波导的技术优势，同时也能够通过介质填充更加有效地局促太赫兹波在近场传播，具有低损耗的特点；通过外加电子束在混合型的金属?介质SSP周期光栅激发表面等离子体激元，在满足SSP色散与外加电子束色散匹配的条件下能够得到高效率的类表面等离子体激元，并且通过介质填充形成周期性的金属?介质表面，从而相比于纯金属周期光栅能够更有效地局限类表面等离子体激元，同时给出了通过电子束激发SSP的系统原理实施图，因此能够克服已有的光学激发方式的低功率激发的劣势，具有大功率和高效率的特点。
【专利说明】
混合型的金属-介质SSP周期光栅系统及其用途和方法
技术领域
[0001] 本发明涉及纳米光学，具体涉及一种混合型的金属-介质SSP周期光栅及其用途和 方法。
【背景技术】
[0002] 太赫兹波是一种频率量级为THz (ITHz = 1012Hz)的电磁辐射，其在电磁波谱中处于 微波与红外光学之间，因此也被称为由传统电子学向微观光子学过渡的太赫兹间隙（THz Gap)。近年来，由于太赫兹波的一系列独特优势而受到国内外学术界以及工业界的广泛关 注，形成了一门针对太赫兹波的产生、传输、操控以及应用相关的新学科，即太赫兹科学与 技术。由于其在电磁波谱中的独特位置，太赫兹波展现出了微波及红外所不具有的一系列 优越性。比如，相对于低频段的微波，由于其波长更短，具有更强的穿透性和更好的方向性， 在成像及跟踪领域具有一定的优势。
[0003] 发展太赫兹科学与技术离不开对以波导为基础的功能器件的研究，波导作为传输 太赫兹波的结构，其结构特性往往也决定了其传导的太赫兹波的传输特性。因此，太赫兹波 导不仅起着传输太赫兹波的作用，而且在一定层度上还能够起到操控太赫兹波的目的。研 究太赫兹波导与传统微波波段的金属波导一样，也是对其传播常数的研究，包括实部和虚 部的两部分，即分别表征色散特性和传输损耗。由于太赫兹波在大气中传输的衰减很大(除 了 THz大气窗口如350_1、450_1、620_1、735_1波长附近），因此太赫兹波导对发展太赫兹科 学技术显得尤为重要。针对不同的应用场合，选取易于与现有太赫兹系统集成的波导器件 成为了关键。除了以上提到的低色散、衰减小以及便于集成等优点外，一般还要求波导具有 单模传输、宽带宽及结构简单等特点。根据目前常见的太赫兹波导，大体可分为两类:一种 是从低频率的较为成熟的微波波导向高频率发展，如金属波导；另一种是从光学波段往低 频率发展，比如光子晶体光纤，除此之外还出现了一些新型的太赫兹波导，如石墨烯波导、 金属介质混合波导、光子晶体波导等等。
[0004] 下面对太赫兹波导的研究现状作一简单回顾：
[0005] (1)金属波导。太赫兹金属波导是一种常见的而且非常成熟的波导技术，如各种形 状(圆形、矩形等)的金属腔波导、平行板金属波导等。这一类波导一般存在一个低频截止频 率，为多模传输。不足之处是太赫兹波的群速度色散较大，在某些应用场合存在缺陷。通过 研究发现，采用平行板金属波导能有效地抑制群速度色散的影响。相比于以上金属波导，金 属丝波导能够大大地减小传输损耗，较低的传输色散，是一种结构较为简单的太赫兹波导。 2004年有文献报道，不锈钢单金属线能够实现几乎无色散、平均损耗系数很小的太赫兹波 传输，实验表明太赫兹波在该波导中传输4厘米和24厘米后几乎无变形(Kanglin Wang and D.M.Mittleman,Nature 432,376,2004)。但是该种金属波导能够局促太赫兹波的能力有 限，因为金属在太赫兹以及更低的波段的电导率有限，因此这一波段的太赫兹波也被称为 Sommerfeld Wave或Zenneck Wave。
[0006] (2)介质波导。另一种常见类型的太赫兹波导是介质波导，其原理类似于光纤传输 的原理。利用一些在太赫兹波段衰减较低的材料组成全介质的实心或空心的波导，能够得 到各种形状和不同结构的波导。与金属波导相比，介质波导最大的特点是能够有效的局促 太赫兹波，能够实现单模传输，易产生线偏振模，但是最大的缺点是损耗较大。比如，常用的 单晶蓝宝石、塑料、布料以及聚合物等等。根据不同的应用需求，选取介电常数合适的材料 作为介质波导传输太赫兹波。在介质波导中，有一种特殊的周期性结构的波导，即太赫兹光 子晶体波导，现在已经出现了用于太赫兹波传播的一维、二维及三维光子晶体波导。
[0007] (3)新型波导。除了以上两种常见的金属波导和介质波导外，在太赫兹波段还出现 了一些新型波导。这里面最常见的就是本发明涉及的基于表面等离子体激元（Surface Plasmon Polaritons，SPP)的波导。
[0008] 表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons，SPP)是一种存在于金属与介 质分界面上的特殊的光学模式，由于金属表面自由电子的集体振荡效应，当光波耦合到分 界面表面时，就形成了一种局促在金属-介质分界面的近场局域混合模。因为大多数金属的 特性在红外及光学频段类似于等离子体，因此光场能够很好的局附在表面。但是当频率下 降至太赫兹波段时，由于其特性类似于良导体，因此电磁波的局促能力变弱。2004年，英国 帝国理工大学的J.B.Pendry等提出在金属表面引入一些周期性的阵列，如矩形方孔 (J.B.Pendry，L.Martin-Moreno and F.J.Garcia-Vidal，Science 305,847,2004.)。并且 在理论上证实了周期性的金属结构能够很好的局促这种特殊的SPP模式，为了区别于金属-介质分界面上的SPP模式，这种在低频段的存在于周期性金属表面的模式也被称为类表面 等离子体激元或仿表面等离子体激元(Spoof Surface Plasmon,SSP)。随后，Williams从实 验上在太赫兹波段证实了SSP模式（C.R.Williams et al,Nature Photon.2,175,2008)。近 年来，各种各样的亚波长人工超结构被提出，比如周期性的二维孔阵列（F.J.Ga rCia-Vidal ? et al，J ? Opt ? A: Pure Appl ? Opt 7S97，2005)、一维金属光概（L.Shen et al， Opt.Express 16 ,3326 ,2008)、圆柱形金属光概阵列（S.A.Maier, Phys ? Rev? Lett ? 97 ? 176805，2006)、双开槽的金属光概阵列（A. I .Fern&ndez-Dominguez， Phy .Re v.B 79,233104,2009)、模形状的金属结构（A.I ? Fern&ndez-Dominguez，Optics Letters 34,2063,2009)等等。这些结构均是基于SSP模式，并且得到了大量的应用。其中， 单周期的金属光栅由于其结构简单及易于实现受到了很大关注，在一些无源器件比如耦合 器、功分器、滤波器、近场成像等，即有源器件比如太赫兹辐射源等领域都得到了应用。作为 太赫兹波导，L.Shen(L.Shen et al，0pt.Express 16,3326,2008)利用严格的模式匹配法 计算的SSP模式在金属光栅上的色散及传播损耗，并且研究了结构参数如深度、周期和槽宽 占空比对传输特性的影响。F.M.Zhu(F.M.Zhu et al，J.of Electromagn.Waves and Appl 26,120,2012)在此基础上利用全矢量的基于有限元算法的商业软件计算了矩形槽、V型槽 和其他类型开槽的SSP模式的色散曲线，并且在太赫兹波段计算了周期光栅在理想导体和 金属铝上传播的SSP模式距离。由于这种非矩形的周期金属光栅在太赫兹波段也能实现亚 波长局促，因此是一种很有前途的太赫兹波导。但是，目前没有对这种改良型的金属光栅与 传统的矩形周期光栅结构的传播损耗作详细计算和比较。现有的基于SSP的周期光栅，相邻 的结构间均为空气，因此对电磁波的进一步局促作用的加强有很大的限制。
【发明内容】
[0009] 针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种混合型的金属-介质SSP周期 光栅，能够兼顾已有SSP金属光栅的优势和介质填充对波导场局促的性能改善的优势，并且 详细计算了改良后的波导以及现有矩形结构的传播损耗，发现其具有低损耗的特点，同时 提出了通过外加电子束激发SSP的新型激发方式，与现有的光学激发SSP的方式相比具有大 功率和高效率的优势。
[0010] 本发明的一个目的在于提出一种混合型的金属-介质SSP周期光栅系统。
[0011] 本发明的混合型的金属-介质SSP周期光栅系统包括:混合型的金属-介质SSP周期 光栅、发射阴极、收集极和磁聚焦系统;其中，混合型的金属-介质SSP周期光栅包括衬底、周 期性的梯形结构和介质，在衬底上设置周期性的梯形结构，梯形结构沿XZ平面的剖面为梯 形，沿y轴平行，相邻的两个梯形结构之间为梯形凹槽，在梯形凹槽内填充介质，介质填平梯 形凹槽，形成混合型的金属-介质SSP周期光栅;位于混合型的金属-介质SSP周期光栅一侧 的发射阴极发射电子束，电子束平行于X轴，沿着混合型的金属-介质SSP周期光栅的上表面 传播;在周期性的金属和介质的分界面感应出电场，继而电场产生磁场，在混合型的金属 -介质SSP周期光栅的表面感应出的电磁场反过来又与电子束相互作用，形成沿表面传播的 局域模，从而有效地激发混合型的金属-介质SSP周期光栅产生类表面等离激元SSP，产生的 类表面等离激元在混合型的金属-介质SSP周期光栅的上表面沿着X轴方向传播，周期性的 梯形结构的间隙中填充的介质使得产生的类表面等离子体激元SSP有效地局域在混合型的 金属-介质SSP周期光栅的表面，进一步与电子束相互作用；当满足类表面等离子体激元SSP 的色散与外加电子束的色散相匹配时，类表面等离子体激元得到有效激发并且被放大；电 子束离开混合型的金属-介质SSP周期光栅后，由位于混合型的金属-介质SSP周期光栅的另 一侧的收集极收集作用完的电子束;在发射极和收集极之间设置一个磁聚焦系统，产生一 个沿电子束传播方向的恒定磁场，从而有效约束电子束，使得电子束在传播过程中不发散。
[0012] 本发明提出了采用通过外加电子束激发类表面等离子体激元SSP的新型激发方 式，根据电子束的能量选取可以得到特定频率的SSP，具有大功率和高效率的优势。通过在 混合型的金属-介质SSP周期光栅左侧面引入一个发射阴极，发射阴极面发射出特定能量的 电子束，发射出的混合型的金属-介质SSP周期光栅的高度为G，G的大小由激发得到的类表 面等离子体激元SSP的功率大小来确定，一般为亚波长量级，激发混合型的金属-介质SSP周 期光栅产生类表面等离激元SSP，产生的类表面等离激元在混合型的金属-介质SSP周期光 栅的上表面沿着X轴方向传播。在传播过程中类表面等离子体激元SSP在满足色散关系与外 加电子束相匹配时，类表面等离子体激元能够得到有效的激发并且能够被放大，因此具有 高功率和高功率的特点。当电子束离开混合型的金属-介质SSP周期光栅后，在结构的右边 设置一个收集极，用于收集作用完的电子束。同时为了有效地约束发射电子束，使电子束在 沿X轴传播过程中不发散，在发射极和收集极之间放置一个磁聚焦系统，用于产生一个沿X 方向的恒定磁场，磁场越大对电子束的横向约束能力越好。由于本发明在周期性的梯形结 构中填充了介质，通过电子束产生的类表面等离子体激元SSP能够更有效地局域在混合型 的金属-介质SSP周期光栅的表面，进而更好地与外加电子束相互作用，因此激发效率相比 于只采用金属周期光栅的更高。
[0013] 本发明所涉及的混合型的金属-介质SSP周期光栅包括三部分，其中，衬底和周期 性的梯形结构的材料采用金、银或铜，填充梯形凹槽的介质采用玻璃或陶瓷。
[0014] 电子束沿着混合型的金属-介质SSP周期光栅的上表面一定的距离G传播，在给定 电子束参数和工作频率的情况下，G的取值由激发的类表面等离子体激元的激发功率确定， 根据粒子模拟仿真发现，随着G值由小变大，电子束所激发的类表面等离子体激元的功率呈 现出先增大再减小的变化规律，其中，G大于0。
[0015] 本发明的混合型的金属-介质SSP周期光栅的单个梯形结构的深度h由所激发的类 表面等离子体激元的传播截止频率(SSP基波频带的最大频率值)f c决定，即fc = c/2h，c为光 速;单个的梯形结构的周期d由所激发的类表面等离子体激元的传播截止波矢队决定，SP队 X d = 2jt ;梯形结构之间的介质的深度与单个金属梯形结构的深度一样，由f c = c/2h决定； 梯形凹槽的上底U的取值范围为:0〈U〈d，梯形凹槽的下底L的取值范围为:0〈L〈d。
[0016] 本发明的另一个目的在于提出一种混合型的金属-介质SSP周期光栅SSP色散和传 输损耗测量方法。
[0017] 本发明的混合型的金属-介质SSP周期光栅的色散和传输损耗测量方法包括：
[0018] 1)得到混合型的金属-介质SSP周期光栅中梯形凹槽的参数，参数包括梯形凹槽的 上底U、下底L和深度h;
[0019] 2)将梯形凹槽中填充的介质分为p层等高的矩形介质高度为1，同时将梯形结构分 为P层等高的矩形金属，相邻且等高的矩形金属和矩形介质为一个矩形结构，每一层的周期 性的等高的矩形结构形成一层矩形混合金属-介质光栅，共P层矩形混合金属-介质光栅，P Xl=h，p为彡2的自然数；
[0020] 3)得到本征频率：
[0021] 给定步骤2)中每一层规则的矩形混合金属-介质光栅的周期单个相移从0度到180 度，基于有限积分算法，得到一层矩形混合金属-介质光栅的本征频率，作为初始值，满足每 一层矩形混合金属-介质光栅的边界条件Ez. klxdxsw、=〇，Ez为电场分量，同时通过带入Wk = Wh+2* | U-L | /p迭代求解p层矩形混合金属-介质光栅的本征频率，直至迭代结果稳定后，以 稳定的结果作为混合型的金属-介质SSP周期光栅的本征频率f，其中，W k为第k层矩形介质 的边长，k=l，......，p;
[0022] 4)通过步骤3)的计算结果得到归一化的周期相移和本征频率的关系，在0~180度 内得到归一化的相移_本征频率曲线，即色散曲线；
[0023] 5)得到传输损耗：
[0024] 在步骤4)得到色散曲线的基础上，在色散曲线上求得特定频率下电磁波的群速度 Vg，vg= A f/ A 0n，0n为SSP的轴向传播波矢，再通过有限积分算法，求得一层矩形混合金属-介质光栅的品质因素 Q，作为初始值，满足每一层矩形混合金属_介质光栅的边界条件 Ez> k|x=±o.5wk=〇.，Ez为电场分量，同时通过带入Wk = Wk-i+2* I U-L I /p迭代求解p层矩形混合金 属-介质光栅的本征频率，直至迭代结果稳定后，以稳定的结果作为混合型的金属-介质SSP 周期光栅的品质因素 Q，根据计算公式a = (3iXf)/(VgXQ)得到传输损耗a。
[0025] 其中，在步骤2)中，当p无穷大时，可接近实际情况。梯形凹槽为等腰梯形，则第k层 矩形介质的边长为Wk，则当k=l时，Wk = U;当k = p时，Wk = U±2X (p-1) |U_L|/p，式中|u-l| 为梯形凹槽的上底与下底之差的绝对值，当U〈L时，取"+"号，当U>L时，取"一"号，k=l…… p，p为多2的自然数。
[0026] 本发明的又一个目的在于提供一种混合型的金属-介质SSP周期光栅用于太赫兹 波导的用途。本发明的金属-介质SSP周期光栅用于太赫兹波导，具有低损耗的特点。
[0027] 本发明的优点：
[0028] 本发明采用混合型的金属-介质SSP周期光栅，能够兼顾现有SSP周期金属波导的 技术优势，同时也能够通过介质填充更加有效地局促太赫兹波在近场传播。因此，该发明的 混合型的金属-介质SSP周期光栅能够兼有SSP金属波导和介质波导的技术优势，不仅能够 有效地局促SSP模式，而且具有低损耗的特点。
[0029] 表面等离子体激元SPP和类表面等离子体激元SSP是一种特殊光学混合电磁极化 模，目前其产生方式主要是通过光波入射到谐振耦合装置(如Kretschmann或Otto装置)或 不规则的扰动装置(如周期金属光栅），其激发功率和效率十分有限。本发明的另外一个技 术优点是通过外加电子束在混合型的金属-介质SSP周期光栅激发表面等离子体激元，在满 足SSP色散与外加电子束色散匹配的条件下能够得到高效率的类表面等离子体激元，并且 通过介质填充形成周期性的金属-介质表面，从而相比于纯金属周期光栅能够更有效地局 限类表面等离子体激元，同时给出了通过电子束激发SSP的系统原理实施图，因此能够克服 已有的光学激发方式的低功率激发的劣势，具有大功率和高效率的特点。
【附图说明】
[0030]图1为现有技术的SSP周期金属光栅的不意图；
[0031 ]图2为现有技术的SSP周期金属光栅的色散曲线图；
[0032] 图3为本发明的混合型的金属-介质SSP周期光栅系统的示意图；
[0033] 图4为本发明的混合型的金属-介质SSP周期光栅的梯形凹槽分成p个矩形的示意 图；
[0034] 图5为本发明的混合型的金属-介质SSP周期光栅系统的实施例一的SSP色散曲线 图；
[0035] 图6为本发明的混合型的金属-介质SSP周期光栅系统的实施例一的SSP传输损耗 图；
[0036] 图7为本发明的混合型的金属-介质SSP周期光栅系统的实施例二的SSP色散曲线 图；
[0037] 图8为本发明的混合型的金属-介质SSP周期光栅系统的实施例二的SSP传输损耗 图；
[0038] 图9为本发明的混合型的金属-介质SSP周期光栅系统的类表面等离子体激元SSP 的色散关系与外加电子束相匹配的曲线图。
【具体实施方式】
[0039] 下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
[0040] 图1为现有的周期性矩形光栅的示意图，矩形凹槽的上下宽度一样，边长以a表示， d是周期，h是槽深。图2是计算得到的SSP基模的色散关系，光线也以黑色实线表示。可以看 出SSP模式完全处于光线以下，是一种慢波模式。随着频率接近周期边界，场的局附性变得 更好。在以上计算中，二维金属光栅的结构参数为:d = 3〇Mi，h = 66iim，a/d = 0.5。
[0041 ] 实施例一
[0042]如图3所示，本实施例的混合型的金属-介质SSP周期光栅系统包括:混合型的金 属-介质SSP周期光栅、发射阴极E、收集极C和磁聚焦系统FS;其中，混合型的金属-介质SSP 周期光栅包括衬底、周期性的梯形结构和介质，在衬底上设置周期性的梯形结构，梯形结构 沿xz平面的剖面为梯形，沿y轴平行，相邻的两个梯形结构之间为梯形凹槽;梯形凹槽内以 介质填充。在混合型的金属-介质SSP周期光栅的左侧设置一个发射阴极E用于发射特定参 数的电子束Eb，电子束沿着周期性的梯形光栅的上表面且平行与x轴进入，距离表面的高度 为G，激发周期性梯形光栅产生类表面等离激元SSP，产生的类表面等离激元在周期性的梯 形光栅的上表面沿着x轴方向传播;在混合型的金属-介质SSP周期光栅的右侧放置一个收 集极C用于收集互作用完的电子束;在发射极和收集极之间设置一个磁聚焦系统FS，产生一 个沿电子束传播方向的恒定磁场，从而有效约束电子束，使得电子束在传播过程中不发散。 在传播过程中类表面等离子体激元SSP在满足色散关系与外加电子束相匹配时，类表面等 离子体激元能够得到有效的激发并且能够被放大，因此具有高功率和高功率的特点。如图9 所示，当外加电子束的色散曲线相交于混合型的金属-介质SSP周期光栅的SSP色散曲线时， 称为满足色散关系的匹配，色散匹配点以黑色实心圆点表示。梯形凹槽的上底U为18wn，下 底L为15WH，梯形结构的周期d即两个相邻的梯形结构之间的距离为33WH，深度h为66wii。将 梯形凹槽分成10个矩形，如图4所示，p=10,计算色散和损耗。金属为铜，则带入电导率〇 = 5.99 X 107 Q -1，介质为玻璃，则带入介电常数e = 3.92。与边长为15圓的矩形凹槽相比， 如图5所示，混合型的金属-介质SSP周期光栅能够拓展SSP的频带；同时，如图6所示，混合型 的金属-介质SSP周期光栅能够有效地减小SSP的传播损耗，尤其是在靠近周期边界的位置 上。
[0043] 实施例二
[0044] 在本实施例中，梯形凹槽的上底U为15wii，下底L为12wii，其他同实施例一，与边长 为15wii的矩形凹槽相比，混合型的金属-介质SSP周期光栅能够拓展SSP的频带，如图7所示； 同时，混合型的金属-介质SSP周期光栅能够有效地减小SSP的传播损耗，尤其是在靠近周期 边界的位置上，如图8所示。
[0045] 最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域 的技术人员可以理解:在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修 改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权 利要求书界定的范围为准。
【主权项】
1. 一种混合型的金属-介质SSP周期光栅系统，其特征在于，所述混合型的金属-介质 SSP周期光栅、发射阴极、收集极和磁聚焦系统;其中，所述混合型的金属-介质SSP周期光栅 包括衬底、周期性的梯形结构和介质，在衬底上设置周期性的梯形结构，梯形结构沿XZ平面 的剖面为梯形，沿y轴平行，相邻的两个梯形结构之间为梯形凹槽，在梯形凹槽内填充介质， 介质填平梯形凹槽，形成混合型的金属-介质SSP周期光栅;位于混合型的金属-介质SSP周 期光栅一侧的发射阴极发射电子束，电子束平行于x轴，沿着混合型的金属-介质SSP周期光 栅的上表面传播;在周期性的金属和介质的分界面感应出电场，继而电场产生磁场，在混合 型的金属-介质SSP周期光栅的表面感应出的电磁场反过来又与电子束相互作用，形成沿表 面传播的局域模，从而有效地激发混合型的金属-介质SSP周期光栅产生类表面等离激元 SSP，产生的类表面等离激元在混合型的金属-介质SSP周期光栅的上表面沿着x轴方向传 播，周期性的梯形结构的间隙中填充的介质使得产生的类表面等离子体激元SSP有效地局 域在混合型的金属-介质SSP周期光栅的表面，进一步与电子束相互作用；当满足类表面等 离子体激元SSP的色散与外加电子束的色散相匹配时，类表面等离子体激元得到有效激发 并且被放大；电子束离开混合型的金属-介质SSP周期光栅后，由位于混合型的金属-介质 SSP周期光栅的另一侧的收集极收集作用完的电子束;在发射极和收集极之间设置一个磁 聚焦系统，产生一个沿电子束传播方向的恒定磁场，从而有效约束电子束，使得电子束在传 播过程中不发散。2. 如权利要求1所述的混合型的金属-介质SSP周期光栅系统，其特征在于，在所述混合 型的金属-介质SSP周期光栅中，衬底和周期性的梯形结构的材料采用金、银或铜，填充梯形 凹槽的介质采用玻璃或陶瓷。3. 如权利要求1所述的混合型的金属-介质SSP周期光栅系统，其特征在于，所述电子束 沿着混合型的金属-介质SSP周期光栅的上表面一定的距离G传播，在给定电子束参数和工 作频率的情况下，G的取值由激发的类表面等离子体激元的激发功率确定，G大于0。4. 如权利要求1所述的混合型的金属-介质SSP周期光栅系统，其特征在于，单个梯形结 构的深度h由所激发的类表面等离子体激元的传播截止频率f。决定，;^ = (：/211，(3为光速。5. 如权利要求1所述的混合型的金属-介质SSP周期光栅系统，其特征在于，单个的梯形 结构的周期d由所激发的类表面等离子体激元的传播截止波矢队决定，队X d = 2jt。6. -种混合型的金属-介质SSP周期光栅SSP色散和传输损耗测量方法，其特征在于，所 述测量方法包括以下步骤： 1) 得到混合型的金属-介质SSP周期光栅中梯形凹槽的参数，参数包括梯形凹槽的上底 11、下底1和深度11; 2) 将梯形凹槽中填充的介质分为p层等高的矩形介质，高度为1，同时将梯形结构分为p 层等高的矩形金属，相邻且等高的矩形金属和矩形介质为一个矩形结构，每一层的周期性 的等高的矩形结构形成一层矩形混合金属 -介质光栅，共P层矩形混合金属-介质光栅，pX 1 = h，p为彡2的自然数； 3) 得到本征频率： 给定步骤2)中每一层规则的矩形混合金属-介质光栅的周期单个相移从0度到180度， 基于有限积分算法，得到一层矩形混合金属-介质光栅的本征频率，作为初始值，满足每一 层矩形混合金属-介质光栅的边界条件E z.kk--±o.5wt =〇，Ez为电场分量，同时通过带入Wk = Wh+2* | U-L | /p迭代求解p层矩形混合金属-介质光栅的本征频率，直至迭代结果稳定后，以 稳定的结果作为混合型的金属-介质SSP周期光栅的本征频率f，其中，Wk为第k层矩形介质 的边长，k=l，......，p; 4) 通过步骤3)的计算结果得到归一化的周期相移和本征频率的关系，在0~180度内得 到归一化的相移-本征频率曲线，即色散曲线； 5) 得到传输损耗： 在步骤4)得到色散曲线的基础上，在色散曲线上求得特定频率下电磁波的群速度vg，vg =A f/Aen，foi为SSP的轴向传播波矢，再通过有限积分算法，求得一层矩形混合金属-介质 光栅的品质因素 Q，作为初始值，满足每一层矩形混合金属_介质光栅的边界条件 Ez. k|x=±o.5wt =〇:_，Ez为电场分量，同时通过带入Wk = Wk-1+2* I U-L I /p迭代求解p层矩形混合金 属-介质光栅的本征频率，直至迭代结果稳定后，以稳定的结果作为混合型的金属-介质SSP 周期光栅的品质因素 Q，根据计算公式a = (3iXf)/(VgXQ)得到传输损耗a。7. -种如权利要求1所述的混合型的金属-介质SSP周期光栅用于太赫兹波导的用途。
【文档编号】G02B6/124GK106054291SQ201610428936
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月16日
【发明人】刘永强, 杜朝海, 刘濮鲲
【申请人】北京大学