一种基于人工表面等离激元的极化传感器的制作方法

本发明涉及一种极化传感器结构，尤其涉及一种基于人工表面等离激元的极化传感器。

背景技术：

通常情况下，局域表面等离子体激元共振是指束缚在金属表面的一种局域型电磁波模式，是在入射光激发下，正负介电常数界面处产生的一种传导电子的谐振现象，一般局限于金属与介质界面附近，能形成增强近场效应。但是由于金属的等离子频率一般都在紫外波段，在微波段，电磁波难以渗透，金属近似表现为理想导体。在这些情况下，金属表面是不能激发出局域表面等离激元的。近年来，为了将局域表面等离子体的概念引入到低频（远红外，太赫兹和微波毫米波频率），Garcia-Vidal和Pendry教授等人共同提出了人工局域表面等离子体激元（Spoof Localized Surface Plasmon，简称SLSP）的概念，他们通过在金属闭合表面上刻蚀沟槽，可以产生类似光波段的局域表面等离子体共振现象，这种现象可以在微波和太赫兹波段自由激发和产生。自此以后，很多科学家从理论上和实验上研究了低频段的人工局域表面等离子激元结构和谐振问题，目前的研究发现，带有牙齿的金属闭合表面、开有沟槽的金属闭合腔体、带有沟槽的金属环结构都支持SLSP谐振。极化传感器是一种可以检测入射波极化角度的微波器件，目前尚无可以实现极化传感的SLSP器件。

技术实现要素：

技术问题：本发明要解决的技术问题是：现有的专用极化传感器结构产品较少，设计一款基于人工表面等离激元的极化传感器，结构简单，工艺简单，周期短，成本经济。

本发明在深入研究人工表面等离激元的基础上，使内部金属圆柱的圆心和整个圆柱结构圆心错开，整个结构呈非对称形态。当平面波从最窄的沟槽处入射，在最深槽的边缘上方0.5mm处设置一个金属探针，可以检测到电场的场增强现象，而且对不同极化的入射波，探针处测到的电场的模值是不同的，结构具有很好的传感特性。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

所述传感器主要由一个沿外侧圆周均匀开设沟槽的超薄的圆柱状金属结构组成，沟槽内填充有介质材料；所有沟槽都指向圆柱状金属结构的圆心且沟槽不等深，圆柱状金属结构内部形成一个完整的金属圆柱，该金属圆柱的圆心和圆柱状金属结构的圆心不重合。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明提出的基于人工表面等离激元的微波传感器，结构简单，易于制造，腔内的沟槽填充均匀介电常数的介质，增强了电磁波在结构中的渗透。

2、根据结构单个周期的色散曲线上可以得出结论，本结构支持人工局域表面等离激元谐振。

3、本发明由于沟槽的深度是逐渐变化的，当平面波从最短槽深处入射时，电磁波沿着浅槽向深槽传导，最终在槽最深处形成场增强现象。在最深槽处边缘的上方0.5mm处放置探针，可以发现最强的场发生在最深槽的截止频率处，而且强度和入射波的极化角度有关，使结构拥有极化传感器的功能，产品应用范围广，节约了成本。

4、本发明可以通过改变结构沟槽内的介电材料来调节谐振频率，使用更高介电常数的材料可以降低传感器的工作频率，为等离子体器件的低频化应用提供了良好的发展前景。

附图说明：

图1是实施例一的俯视图；

图2是实施例二结构最深槽和最浅槽的色散特性曲线图；

图3是实施例三结构从上到下入射电磁波以后的探针处的场值分布。

具体实施方案：

下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述：

实施例一

如图1所示，传感器的基础结构是一个厚度为0.018 毫米的金属薄片，金属薄片的形状是圆形，厚度方向定义为z方向。金属薄片内部分布有一个实心且等高的金属圆柱，金属薄片沿着外侧圆周方向均匀分布有深度（h）不同的扇形沟槽，沟槽内填充有介质材料。由于内部圆柱的圆心和整个结构的圆心不重合，存在距离L，导致沟槽的深度是不等的。沿着从上到下方向，沟槽的深度逐渐增加。图中区域I和II是金属材料部分，区域III为填充有介质材料的沟槽部分。外部圆柱的半径是R_a，内部圆柱的半径是r_a，沟槽的深度最浅处和最深处分别为h₁和h_m，假设沟槽的数量为N，则每个周期对应的弧度为D=2πR/N，而沟槽对应的弧度为a=D/2。

实施例二

以如图1所示传感器为例，半径r_a= 3毫米，R_a= 10毫米，最浅处和最深处沟槽的半径分别为h₁= 5毫米， h_m= 9毫米，整个结构的圆心和内部圆柱圆心的距离为L= 2 毫米。不同槽深的谐振频率也是不同的。填充介质材料的介电常数等于1，均匀介电常数的介质可以增强电磁波在结构中的渗透。沟槽的数量设置为N=120。

根据实施例二，针对不同槽深的单个周期结构，可以利用电磁仿真软件得到如图2所示的色散曲线，两条曲线分别对应最深槽和最浅槽的色散曲线，可以发现他们都位于光线右侧，说明结构发生了表面等离子体共振现象，因为如果没有沟槽，在微波频段内金属圆柱是不可能激发出局域表面等离子体共振的。而且随着沟槽深度的增加，色散曲线的渐进频率会逐渐降低，具体到我们的例子，当沟槽的深度从5毫米变化到9毫米，色散曲线的渐进频率会从14.16 GHz降低到8 GHz。

实施例三

根据实施例一，定义平面波沿着+y方向向-y方向入射，波矢定义为y方向，电场和磁场都在xz平面内，其中电场分量与x轴之间的夹角定义为θ，在传感器结构的最底端A位置沿着z方向上方0.5毫米处设置一个探针，探针可以检测出电场强度，入射平面波的频段为5 GHz到10GHz，入射波的电场强度为1 V/m，探针检测到的电场强度和入射波的电场强度的比值定义为场增强系数，图3可以发现，场增强系数在整个频段内随角度θ变化较为明显，随着角度θ的增加，场增强逐渐减弱。对于θ不等于90度的情况，在频率8 GHz左右会产生最大的场增强系数，这个频率等于图2中最深槽的渐进频率。

当θ等于0度时，电场沿着x方向，传感器只对x方向的电场有增强效果，当θ等于45度时，x方向的电场分量只有0.707 V/m，这时的场增强系数也产生了对应的变化，8GHz处的场增强系数和0度时的比值大约等于0.707。而当θ等于90度时，x方向不存在电场分量，这时不会发生场增强现象，8 GHz处的场增强系数基本等于0。综上所述，本发明极化传感器实现了对从0度到90度范围内的检测。