专利名称：使用负折射率材料的用于电磁谐振的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及调节电磁辐射束，更加具体地，涉及用于具有
负折射率的装置和使用负折射产生电磁谐振的结构。
背景技术：
光子晶体是一种人造材料，通常将其称为"超材料(meta material )"。通过将具有一种介电常数的材料周期性地分散在具有不同介 电常数的基体中形成光子晶体。 一维光子晶体是仅在一维中存在介电常数 周期性的三维结构。布拉格镜是一维光子晶体的一个示例。交替的薄层具 有不同的介电常数和折射率。几层薄层的组合形成仅在与薄层平面正交的 方向上存在介电常数的周期性的三维结构。在薄层平面内包含的两维中不 存在周期性。通过将具有一种介电常数的材料的圓棒或圆柱周期性地分散在 具有不同介电常数的基体中可以形成二维(2D)光子晶体。2D光子晶体在 二维中存在周期性(例如垂直圓棒或圆柱长度的方向)，但是在平行圆柱长 度的方向上不存在周期性。最后，通过将具有第一介电常数的第一材料的小球或其它球形 局限区域周期地分散在具有第二不同介电常数的第二材料的基体中可以形 成三维光子晶体。三维光子晶体在晶体内的全部三维内存在介电常数的周 期性。在存在介电常数周期性的方向上，光子晶体可能存在一定频率 范围内的光子能带隙。换句话说，在存在介电常数周期性的方向上，可能 存在不能透射过光子晶体的电磁辐射的频率范围。不能透射的这种频率范 围净皮认为是该光子晶体的光子能带隙。对于光子晶体的介绍及其用途和应用，读者可以参考John D. Joannopoulos、 Robert D, Meade和Joshua N. Winn的《Photonic Crystals—Molding the Flow of Light》(普林斯顿大学出版社，1995年) 及L Inoue和K. Ithaca的《Photonic Crystals—Physics, Fabrication and Applications》(Springer, 2004年)。在天然材料中，当电磁辐射进入到两种材料之间的交界处时，其被以特定角度和特定方向折射。已经研究出一种超材料，其在与天然材 料的方向相反的方向上折射电磁辐射。由于其能够在负方向上折射并且作 为结杲能够再聚焦电磁辐射而不是使电磁辐射被分散的能力，呈现出负折 射的这些材料通常被称为超棱镜。近年来，已经表明光子晶体可能呈现出 这种负折射。对于这些超棱镜结构，特别是呈现出负折射的光子晶体，可 能存在多种新的且有用的应用。 发明内容
具有大量实施例的本发明包括用电磁辐射束产生谐振的方法和 呈现出负超棱镜性能的光子晶体，其中光子晶体的负折射性能可以用于产 生谐振结构。
本发明的实施例包括电磁谐振装置，其包括输入反射器、输出 反射器，以及设置在输入反射器和输出反射器之间的周期性电介质。输入 反射器设置成显著反射具有所关心波长的第一辐射。将输出反射器放置在 基本与输入反射器平行的平面内，并将其设置成显著反射具有所关心波长 的第二辐射。将周期性电介质放置在输入反射器和输出反射器之间，并且 其包括第一表面和第二表面，每个表面均在与输入反射器基本平行的平面 内。另外，周期性电介质包括具有在第一表面和第二表面之间的介电周期 性的周期性结构。将该周期性结构设置成具有对于所关心波长的电磁辐射 的负折射。周期性电介质的负折射将到达第 一表面的第 一辐射聚焦作为第 二辐射在第二焦点位置。相似地，周期性电介质的负折射将到达第二表面 的第二辐射聚焦作为第一辐射在第一焦点位置。
虽然说明书及权利要求特别指出和明确要求了本发明的内容，但是从下面的描述并结合附图，可以更加容易地确定本发明的优点，在附图中
图1A是描述在两种各向同性材料之间的界面处波传播方向的 波矢量图1B是描述在各向同性材料和具有负折射率的材料之间的界 面处波传播方向的波矢量图2示出穿过具有负折射率的材料的电磁辐射的聚焦性能；
图3A示出包括设置成具有三角点阵的2D光子晶体的典型周期 性电介质的顶视图3B示出包括设置成具有正方点阵的2D光子晶体的典型周期 性电介质的顶视图4是设置成具有正方点阵的典型2D光子晶体的三维视图5是包括2D光子晶体的典型电磁辐射谐振结构的顶视图， 示出聚焦电磁辐射的负折射；以及
图6是包括2D光子晶体的典型电磁辐射谐振结构的顶视图， 示出负折射和谐振。
具体实施方式
在下面的描述中，微米尺度尺寸大致上是指从l微米到几微米 范围内的尺寸，亚微米尺度尺寸大致上是指从l微米到0. 05微米范围内的 尺寸，而纳米尺度尺寸大致上是指从l纳米到50纳米(0. 05微米)范围内 的尺寸。
具有大量实施例的本发明包括电磁辐射谐振结构和在电磁辐射 束中产生谐振的方法。设置本发明的实施例以提供一种对于所选波长范围 的辐射具有负折射率的周期性电介质。对于定向到谐振结构(包括周期性 电介质)的辐射，当辐射穿过周期性电介质(PDM)时，该辐射的负折射可 以在谐振结构中产生聚焦辐射和谐振。
对于折射，斯奈尔定律是众所周知的当辐射束进入具有不同折 射性能的两种介质之间的界面时表征辐射束的折射特性的定律。基本上， 斯奈尔定律表明在一种介质中折射率和辐射束入射角正弦值的乘积等于后续介质中折射率和辐射束折射角正弦值的乘积。
—般地，天然材料具有正折射率。换句话说，当辐射束以斜入 射角到达具有高正折射率的介质表面时，其朝向小平面的曲面法线偏折， 而进入低折射率介质的辐射束可能远离曲面法线偏折，但是是以相对曲面 法线的正角度实现偏折。近年来，已经开发出具有负折射率的多种人造材料(通常称为超材料)。具有负折射率的材料仍然遵循斯奈尔定律，但是在 与天然材料相反的方向上(即相对于曲面法线具有负角度)偏折辐射束。 因此，使用斯奈尔定律，在一种介质中折射率和辐射束入射角正弦值的乘 积等于后续介质中折射率和辐射束折射角正弦值的乘积的负数。
使用图1A、 1B和2可以理解正折射率和负折射率的折射性能。 图1A是示出穿过两种折射材料(110和120)及在两种折射材料(IIO和 120)之间的界面处波传播方向的波矢量图。相似地，图1B是示出在第三 折射材料130和负折射材料140之间的界面处波传播方向的波矢量图。
图1A示出正折射。在图1A中，上面的圓示出为笫一折射材料 IIO绘制的等频表面EFS1。下面的圆示出为第二折射材料120绘制的等频 表面EFS2。部分地由于第一折射材料IIO和第二折射材料120之间的介电 性能差异，EFS2具有与EFS1不同的直径。波群速度矢量Vgl的方向垂直于 EFS1且远离EFS1的中心，其示出穿过第一折射材料110的波传播方向。第 一频率线115示出波群速度矢量Vgl与EFS1相交的特定频率。将第一频率 线115向下延伸至与EFS2相交。由此，方向垂直于EFS2且远离于EFS2中 心的波群速度矢量Vg 2确定了以与穿过第 一折射材料110传播的波相同的 频率穿过第二折射材料120的波传播方向。图1A的下部示出两个波群速度 矢量Vgl和Vg2以及在第一折射材料110和第二折射材料120之间的边界 处发生的方向改变。方向改变是由两种折射材料U10和120)的折射率差 异引起的。可以通过波群速度矢量Vg2相对于曲面法线的正角度来理解正 折射。
图1B示出负折射。在图1B中，上面的圓示出为第三折射材料 130绘制的等频表面EFS 3 。下面的圓示出为负折射材料140绘制的等频表 面EFS4。部分地由于第三折射材料130和负折射材料140之间的介电性能 差异，EFS4具有与EFS3不同的直径。另外，在负折射率材料140中，当频 率提高时，等频表面EFS4在对称点周围向内移动。因此，波群速度矢量Vg4 指向内部，表示负折射。作为结杲，示出穿过负折射材料140的波传播方 向的波群速度矢量Vg4的方向垂直于EFS4，但是朝向EFS4的中心。
另一方面，第三折射材料130是与第一折射材料110和第二折 射材料120相似的正折射材料。因此，波群速度矢量Vg3的方向垂直EFS3 且远离EFS3的中心，其示出穿过第三折射材料130的波传播方向。第二频 率线135示出波群速度矢量Vg3与EFS3相交的特定频率。将第二频率线115向下延伸至与EFS4相交。由此，波群速度矢量Vg4确定了以与穿过第三折 射材料130传播的波相同的频率穿过负折射材料140的波传播方向。图1B 的下部示出两个波群速度矢量Vg3和Vg4以及在第三折射材料130和负折 射材料140之间的边界处发生的方向改变。可以通过波群速度矢量Vg4的 相对于曲面法线的负角度理解负折射。
图2示出穿过具有负折射率的材料传播的电磁辐射的聚焦性 能。在图2中，顶视图示出负折射材料140的厚片及在负折射材料140相 对两侧的第三折射材料130。当入射电磁辐射束到达负折射材料140的入射 表面146时，入射辐射束具有第一方向132。负折射材料140的负折射性能 使电磁辐射束以相对入射表面146的曲面法线的负角度朝向第二方向142 偏折。当电磁辐射束从负折射材料140的发射表面148发射时，它们朝向 第三方向134偏折。当电磁辐射束在第三方向134上传播时，它们聚焦在 焦点136处。
由于光子晶体几何相对电磁辐射波长的某种比例将实现负折 射，光子晶体已经展示出具有这种负折射性能。在图3A、 3B和4中示出了 光子晶体的一些实施例。
图3A示出包括以三角点阵(也称为六角点阵)布置的2D光子 晶体200的周期性电介质200的顶视图。2D光子晶体200包括基体202 (也 称为第一材料202 )。在基体202中，将周期性间隔圆柱204 (也称为圓柱 区域、圓棒或第二材料)布置在水平行和垂直行的阵列中。如图3A所示， 可以将圆棒204的这些水平行和垂直行布置成三角点阵，其中将每个交替 水平行和垂直行布置在相邻水平行和垂直行之间的中心附近。
图3B示出包括以正方点阵布置的2D光子晶体200，的周期性电 介质200，的顶视图，其中在基体202，中正交布置相邻水平行和垂直行中的 周期性间隔圓柱204，。图4示出图3A的2D光子晶体200，的三维视图，描 述圓棒202，穿过基体202，的纵向分布。〖0032]在2D光子晶体200中，基体202包括具有第一介电常数的第 一材料202，而圓棒204包括具有第二介电常数的第二材料204。因此，在 光子晶体中垂直圆棒204纵轴方向上存在介电周期性。如果第一材料202 和第二材料204之间的介电常数差异足够大，会出现光子能带隙(即禁止 频率范围)。该光子能带隙可能使光子晶体具有多种令人感兴趣的性能。这 些性能中的一种即是负折射。
出于示范性而不是限制性，2D光子晶体200可以包括具有空气 圆棒204的硅基体202,或者具有硅圓棒204的空气基体202。在这些实施 例中，硅具有大约12的介电常数而空气具有大约1的介电常数。诸如，例 如InP、 GaAs和GalnAsP的其它材料已经显示出彼此结合以及与空气结合 时具有光子能带隙。可以选择材料，以便优化多种参数，诸如光子能带隙 发生的波长、制备容易度、负折射性能或它们的组合。
参考图3A和3B,光子晶体具有表示相邻圆棒204的中心之间 的横向间距的点阵常数(a、 a，)，而且圓棒204具有基本均匀的半径(r、 r')。对于大多数用途，讨论相对半径(即RR-r/a)或将半径(r)论迷为 点阵常数(a)的比例是有用的。出于示范性而不是限制性，2D光子晶体 200的特征可以在于点阵常数(a)以及与点阵常数成比例的半径(诸如r =0. 4a和r = 0. 35a )。
确定特定光子晶体的光子能带结构是一个复杂的问题，涉及求 解麦克斯韦方程并考虑贯穿光子晶体的介电常数中的周期性变化。因此， 光子能带结构至少部分地是基体202的介电常数、圆棒204的介电常数、 圓棒204的半径(r)以及点阵常数(a)的函数。在现有技术中用于计算 特定光子晶体的能带结构的计算方法是已知的。可以在John D. Giannopoulos、 Robert D. Meade和Joshua N. Winn的《Photonic Crystals-Molding the Flow of Light》(普林斯顿大学出版社，1995年) 中获得这些计算方法的说明，特别是在附录D中。
模拟已经表明光子晶体的负折射性能将在光子晶体的光子能带 隙内的一定波长(A )范围内存在。出于示范而不是限制，Qui等人已经给 出包括InP-InGaAsP的2D光子晶体200的模拟，表明当点阵常数(a)与 频率的比值(即a/人)大约为0. 325时折射率约为-0. 73 (IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol.9， No.1, January/February 2003， pp. 106-110 )。换句话说，当穿过点阵常数(a) 大约为400nm的2D光子晶体200时，波长大约为1230mn的红外辐射束可 以存在大约-0. 73的折射率。
图5和6是包括设置成具有三角点阵的2D光子晶体200的典 型电磁谐振装置300的顶视图例。将2D光子晶体200放置在输入反射器310 和输出反射器320之间。
可以将输入反射器310和输出反射器320设置成布拉格反射器。可以按照多种方式使用设置成具有低和高折射率的交替层的多种材料形成 布拉格反射器(也称为布拉格镜)。可以将每层的厚度设置为将要由电磁谐振装置300放大的所关心波长的大约四分之一波长。所产生的布拉格反射 器也可以称为四分之一波长堆栈。作为示例，可以由GaAs(砷化镓)^p AlGaAs (砷化镓铝)的交替层形成布拉格反射器。用于形成布拉格反射器的另一 适当材料組合是分别由硅和二氧化硅形成的交替层。在布拉格反射器中配置大量的交替对产生大的折射率。
出于示范而不是限制，可以由交替第一层312和第二层314形 成输入布拉格反射器310和输出布拉格反射器320。大约20到25层可以产 生大约99. 9%的反射率，而大约30层可以产生高达99. 99 %的反射率。
可选地，可以在输出布拉格反射器320上形成不透明或高反射 性孔径层330，以便产生设置成具有适于发射辐射490的预期尺寸和形状的 孔径335，其中发射辐射490可以通过输出反射器320射出。
通过第一中间介质340使输入反射器310与周期性电介质200 分开。相似地，通过第二中间介质350使输出反射器320与周期性电介质 200分开。取决于预期折射性能，中间介质(340、 350 )可以是相同材料或 者是不同材料。出于示范而不是限制，中间介质(340、 350 )可以包括空 气、硅、或适于所关心波长的透射性的其它适当材料。
可选地，可以由基本在所关心波长且导向到输入反射器310的 输入表面311的泵浦辐射400使电磁谐振装置300被光学抽运。可以通过 输入反射器310透射泵浦辐射400的一小部分，并作为第一辐射410进入 第一中间介质340。
图5示出周期性电介质200由负折射引起的聚焦性能。第一辐 射410穿过第一中间介质340传播并到达周期性电介质200的第一表面280。 2D光子晶体200使第一辐射410在第一中间介质340和2D光子晶体200之 间的界面处以负折射角偏转。该辐射作为折射辐射450穿过2D光子晶体 200。当折射辐射450进入2D光子晶体200和第二中间介质350之间的界 面时，再次使其以负折射角偏转。折射辐射450作为第二辐射420进入第 二中间介质350。总体上，2D光子晶体200的负折射性能可以使笫二辐射 420在第二焦点位置428聚焦。
示出第一辐射410、折射辐射450和第二辐射420的线用于描 述对于理想负折射的辐射束的近似范围和方向。本领域技术人员将认识到，描述辐射束折射的附图暗示了第一辐射410和第二辐射420、以及相应折射 辐射450的全部可能角度。
另外，虽然没有在图5中直接示出，但对于本领域技术人员显 而易见的是，辐射可以在相反方向上传播。换句话说，辐射可以从输出反 射器320向输入反射器310传播，以便使辐射在第一焦点位置418聚焦。 在图6中示出了该传播方向。
图6通过跟踪理想的电磁辐射束示出电磁谐振装置300的谐振 性能。第一辐射410A通过第一中间介质340传播并到达周期性电介质200 的笫一表面280。 2D光子晶体200使第一辐射410A在第一中间介质340和 2D光子晶体200之间的界面处以负折射角偏转。该辐射作为折射辐射450A 穿过2D光子晶体200。当折射辐射450A到达2D光子晶体200和第二中间 介质350之间的界面时，其再次以负折射角偏转。折射辐射450A作为笫二 折射420A进入第二中间介质350。
将第二折射420A作为第二辐射420B反射回到2D光子晶体200。 当第二辐射42OB到达第二中间介质350和2D光子晶体200之间的界面时， 其再次以负折射角偏转，以便成为折射辐射450B。当折射辐射450B到达 2D光子晶体200和第一中间介质340之间的界面时，其再次以负折射角偏 转，以便成为第一辐射410B。将第一辐射410B作为第一辐射410C反射回 到2D光子晶体200，第一辐射410C继续着经过2D光子晶体的相同负折射 过程，以便成为折射辐射450C和第二辐射420C。
反射和聚焦的这种谐振过程可以无限持续，产生高Q系数。不 仅可以由反射产生高Q系数，而且可以由在第一焦点位置418和笫二焦点 位置428处的聚焦和再聚焦产生高Q系数。
另外，可以通过将输出镜放置成使输出镜的第二内表面328基 本上靠近第二焦点位置428来增加Q系数。相似地，可以通过将输入镜放 置成使输入镜的第一内表面318基本上靠近第一焦点位置418来增加Q系 数。〖0050]输出反射器320不是完全反射的。其结果是， 一部分辐射作为 发射辐射490可以透射通过输出反射器320。
虽然已经参考特定实施例描述了本发明，但是不能将本发明限 制于所描述的这些实施例。相反，仅由权利要求限制本发明，权利要求在 其范围内包括根椐本发明所述原则运行的全部等效装置或方法。
权利要求
1.一种电磁谐振装置(300)，其包括显著反射具有所关心波长的第一辐射(410)的输入反射器(310)；在与输入反射器(310)基本平行的平面中并且显著反射具有所关心波长的第二辐射(420)的输出反射器(320)；布置在输入反射器(310)和输出反射器(320)之间并且包括在第一表面(280)和第二表面(290)之间的介电周期性的周期性电介质(200)，该周期性电介质被设置成在所关心波长处具有负折射，其中负折射将到达第一表面(280)的第一辐射(410)作为第二辐射(420)在第二焦点位置(428)聚焦；以及将到达第二表面(290)的第二辐射(420)作为第一辐射(410)在第一焦点位置(418)聚焦。
2. 如权利要求l所述的装置，其中周期性电介质(200 )包括2D光 子晶体(200 ),该2D光子晶体包括第一材料(202 )，该第一材料包括多 个周期性地间隔的第二材料(204 )的圓柱(204 )。
3. 如权利要求l所述的装置，其中输入反射器(310)和输出反射器 (320 )包括布拉格反射器。
4. 如权利要求1所述的装置，其中第一焦点位置(418)基本靠近输 入反射器(310)的内表面，而第二焦点位置(428 )基本靠近输出反射 器(320 )的内表面。
5. 如权利要求l所述的装置，其中所关心波长处的泵浦辐射(400 ) 的至少一部分透射通过输入反射器(310)，以便作为第一辐射(410)进 入电磁辐射装置。
6. 如权利要求l所述的装置，其中第二辐射(420 )的至少一部分透 射通过输出反射器(320 )作为发射辐射(490 )。
7. 如权利要求6所述的装置，还包括相邻于输出反射器(320 )形成 的孔径(335 ),其被设置成用于确定发射辐射(490 )的尺寸和形状。
8. —种增强电磁辐射束的方法，其包括 提供包括在所关心波长处的负折射率的周期性电介质(200 ); 将第一辐射(410)向周期性电介质(200 )的第一表面(280 )反射； 将第二辐射(420 )向周期性电介质(200 )的第二表面(290 )反射；通过使第一辐射(410)从第一表面(280 )穿过周期性电介质(200) 到达第二表面(290 )，在第二焦点位置(428 )聚焦第二辐射(420 );以 及通过使第二辐射(420 )从第二表面(290 )穿过周期性电介质(200 ) 到达第一表面(280 )，在第二焦点位置(418)聚焦第一辐射(410)。
9. 如权利要求8所述的方法，其中提供周期性电介质(200 )还包括 提供包括第一材料(202 )的2D光子晶体(200 )，第一材料(202 )包括 多个周期性地间隔的第二材料(204 )的圆柱(204 )。
10. 如权利要求8所述的方法，其中反射第一辐射(410)包括用输 入反射器(310)来反射第一辐射(410)。
11. 如权利要求IO所述的方法，其中聚焦第一辐射(410)还包括使 第一焦点位置(418)基本靠近输入反射器(310)的内表面。
12. 如权利要求IO所述的方法，还包括将具有所关心波长的泵浦辐射(400 )导向在输入反射器(310)的输 入表面(311 )上；以及泵浦辐射(400 )的至少一部分透射通过输入反射器(310)。
13. 如权利要求8所述的方法，其中反射第二辐射(420 )包括用输 出反射器(320 )来反射第一辐射(410)。
14. 如权利要求13所迷的方法，其中聚焦第二辐射(420 )还包括使 第二焦点位置(428 )基本靠近输出反射器(320 )的内表面。
15. 如权利要求13所述的方法，还包括第二辐射(420 )的至少一部 分透射通过输出反射器(320 )。
全文摘要
一种电磁谐振装置(300)，其包括输入反射器(310)、输出反射器(320)和布置在输入反射器(310)和输出反射器(320)之间的周期性电介质(200)(PDM)。将输入反射器(310)和输出反射器(320)设置成反射具有所关心波长的辐射。PDM包括具有在第一表面(280)和第二表面(290)之间的介电周期性的周期性结构。将介电周期性设置成具有对于所关心波长的负折射。由输入反射器(310)将第一辐射(410)向PDM的第一表面(280)反射，穿过PDM，并作为第二辐射(420)聚焦到输出反射器(320)上。由输出反射器(320)将第二辐射(420)向PDM的第二表面(290)反射，穿过PDM并作为第一辐射(410)聚焦到输入反射器(310)上。
文档编号H01S5/10GK101268593SQ200680034490
公开日2008年9月17日 申请日期2006年7月21日 优先权日2005年9月19日
发明者A·M·布拉特科夫斯基, R·G·博索莱尔, S·-Y·王 申请人:惠普开发有限公司