專利名稱：一種復合周期的三通道太赫茲金屬光柵波導及運用方法
技術領域：
本發明涉及一種信號傳輸器件光柵波導，特別涉及一種復合周期的三通道太赫茲金屬光柵波導。
背景技術：
太赫茲(THz)波是位于微波和遠紅外線之間的電磁波。近年來，隨著超快激光技術的發展，使得太赫茲脈沖的產生有了穩定、可靠的激發光源，從此使得人們能夠研究太赫茲。太赫茲在生物醫學、安全監測、無損傷探測、天文學、光譜與成像技術以及信息科學等領域有著廣泛的應用。而太赫茲波段的開發和利用離不開太赫茲功能器件，太赫茲波導是太赫茲應用的一種基本的功能器件，也是太赫茲無線通信領域的重要器件，其發展一直備受重視。2003年，德國學者A.Christ在“量子電子學和激光科學”(QELS)會議上報道了一維周期性金屬表面存在可以傳導的表面等離子激元(SPP)。從而從理論上指出利用金屬光柵制作波導的可行性。(Soc.Am.QELS, I, 2003)。2011年，浙江大學Y.G.Ma等人，率先通過理論和實驗方法制備出基于金屬光柵分路器和耦合器(Opt.Exp.19 (22)，21189，2011)。2012年，東南大學沈曉鵬等，在吉赫茲波段實現了可彎曲式金屬光柵波導(Proceedings of the National Academy of USA, 110, (I)，40-45，2013)。多個通道的波導比起只有一個通道的波導來說，更易于實現波分復用(WDM)。隨著太赫茲頻段的通訊技術越來越趨于成熟，可以預見在不久的將來，太赫茲波段的通訊會有迅猛地發展。而多個傳輸通道對于電磁波通訊來說，相當于開通了多個通訊信道。由于光源的頻率調節能力有限，所以幾個密集、對稱、等間距的傳輸通道能夠極大地提高通信系統的性能。但是，以上 所引的文章中描述的波導，都只還有一個傳輸通道，無法產生多個傳輸通道，使得其在電磁波通訊領域的應用因而受到了限制。
發明內容
本發明是針對現有的光柵波導只有一個通道的問題，提出了一種復合周期的三通道太赫茲金屬光柵波導及運用方法，其構成僅僅需要一種金屬材料，并且使用機械加工或刻蝕的方法，就能太赫茲范圍內可以產生多個傳輸通道，從而實現波分復用。此外通過改變金屬光柵波導的尺寸參數，就能定制特殊頻率的傳輸通道，拓展了金屬光柵波導在電磁波通訊領域的應用。本發明的技術方案為:一種復合周期的三通道太赫茲金屬光柵波導，包括長方體金屬塊，金屬塊上面高矮金屬柱依次排列，形成數個高矮金屬柱對，每對高矮金屬柱的柱間距、柱寬、高柱高、矮柱高、柱厚都相同，高矮金屬柱對下端的金屬塊厚度大于高矮金屬柱厚。
所述高矮金屬柱間距為10 300 μ m，高矮金屬柱寬為10 300 μ m，高矮金屬柱厚為0.1 5 mm,高柱高度為10 500 μ m,矮柱高度為O 500 μ m ,小于高柱高度。
所述高矮金屬柱對對數在5-300。所述長方體金屬塊材質為鋁、銅、銀、鐵、鎳、鈦及其合金中的一種。所述高矮金屬柱對加工方法為:機械加工、化學刻蝕、光學刻蝕及其任意組合。一種復合周期的三通道太赫茲金屬光柵波導運用方法，包括復合周期的三通道太赫茲金屬光柵波導，將復合周期的三通道太赫茲金屬光柵波導放在水平位移臺和垂直位移臺上，使高矮柱對按著光路的方向排列，并且水平放置，固定金屬光柵波導的兩端，兩個位移臺經樣品架4固定在實驗平臺上，打開太赫茲時域光譜(TDS)系統，實驗平臺放入到TDS系統中合適的位置，先調節水平和豎直位移臺，調節光斑位置，使之照射到金屬光柵波導的中心位置，得到透射電磁波的數據。本發明的有益效果在于:本發明復合周期的三通道太赫茲金屬光柵波導及運用方法，結構簡單，在低階電磁波模式下，太赫茲波在金屬光柵波導表面稱合成表面等離子激(SPP),經過金屬光柵波導幾何尺寸的選擇,在金屬光柵波導的末端重新稱合成電磁波。最終實現多個密集、對稱、等間距、穩定的傳輸通道。拓展了金屬光柵波導在電磁波通訊領域的應用。
圖1為本發明復合周期的三通道太赫茲金屬光柵波導主視 圖2為本發明復合周期的三通道太赫茲金屬光柵波導左視 圖3為本發明復合周期的三通道太赫茲金屬光柵波導的實驗裝置 圖4為本發明復合周期的三通道太赫茲金屬光柵波導實例的傳輸色散效果圖。
具體實施例方式如圖1、2所述復合周期的三通道太赫茲金屬光柵波導主視和左視圖，一個長方體金屬塊，金屬塊上面包含復數個高矮金屬柱對，高矮金屬柱對依次排列，每對高矮金屬柱對的柱間距、柱寬、高柱高、矮柱高、柱厚都相同。高矮金屬柱對下端的金屬塊高度A:任意范圍，金屬塊厚度7:任意范圍，但不能小于d,
柱間距t:10 300 Um,柱寬#:10 300 u m,柱厚￠/:0.1 5 mm,高柱高h':10 500 Pm，矮柱高A2:0 500 Pm但不超過么。器件的工作溫度是室溫，周圍的氣體氛圍為干燥的空氣。在本實例中幾何尺寸分別為:高矮金屬柱對下端的金屬塊高度A:20 mm，金屬塊厚度7:5mm,柱間距t:60 iim,柱寬#:65 y m,柱厚￠/:0.5 mm,高柱高A1: 300 iim,矮柱高A2:150 Pm，同時高矮柱對的個數為100。先尋找合適的金屬塊毛坯，金屬材質為鋁、銅、銀、鐵、鎳、鈦及其合金中的一種。長厚高分別不得小于25 mm, 5 mm, 22 _。使用機械加工、化學刻蝕、光學刻蝕及其任意組合，在金屬塊的表面加工出如上尺寸的波導光柵結構。金屬光柵波導的數個高矮金屬柱對幾何尺寸全同且依次排列在金屬塊的表面。柱對的數量稱之為金屬光柵波導的周期數。當周期數過小時，金屬光柵波導的周期性也較小。由于金屬光柵波導周期性不明顯，金屬光柵波導對特定頻率SPP傳播的選擇性也較小，因此無法形成強烈的模式選擇，形成的傳輸通道質量也較差。與之相反，當周期數過大時，過大的周期數是金屬光柵波導的長度顯著變長，由于SPP在金屬與空氣表面是以迅衰場的方式傳輸的，即使是能夠穩定傳輸的特定模式其損耗也非常大，從而影響各個傳輸通道的的透射率。此，必須同時考慮品質因素和透射率，選取合適的周期數。一般周期數設置在在5-300，在本實施例中，周期數為100。圖3為本發明的一種復合周期的三通道太赫茲金屬光柵波導的實驗裝置圖。金屬光柵波導在水平位移臺2和垂直位移臺3上，使高矮柱對按著光路的方向排列，并且水平放置，固定金屬光柵波導的兩端。兩個位移臺經樣品架4固定在實驗平臺上。打開太赫茲時域光譜(TDS)系統,加工好的金屬光柵波導放入到TDS系統中合適的位置，先調節水平和豎直位移臺，調節光斑位置，使之照射到金屬光柵波導的中心位置。就能夠得到透射電磁波的數據，經過數據處理能夠得到所加工的金屬光柵波導的傳輸色散關系(圖4)。圖4為本發明的一個實例的傳輸色散效果圖。前3階模式的傳輸色散效果圖，從圖中可以看到，頻率在O 426.78 GHz內的電磁波在金屬光柵波導表面都能得到耦合，但能夠穩定傳輸的模式只有3個(不考慮高階模式)。當傳輸達到穩態時(對應波矢為正無窮，形成駐波)，3個模式對應的波長分別為:225.3,327.5和429.7 GHz，證明本實例實現多個密集、對稱、等間距的傳輸通道。 除I階模外，其他模式都有頻率下限，2階模和3階模分別為:182.2和334.9 GHz，使其能夠在實驗中得到區分檢驗。
權利要求
1.一種復合周期的三通道太赫茲金屬光柵波導，其特征在于，包括長方體金屬塊，金屬塊上面高矮金屬柱依次排列，形成數個高矮金屬柱對,每對高矮金屬柱的柱間距、柱寬、高柱高、矮柱高、柱厚都相同，高矮金屬柱對下端的金屬塊厚度大于高矮金屬柱厚。
2.根據權利要求1所述復合周期的三通道太赫茲金屬光柵波導，其特征在于，所述高矮金屬柱間距為10 300 Pm，高矮金屬柱寬為10 300 U m，高矮金屬柱厚為0.1 5_，高柱高度為10 500 U m,矮柱高度為0 500 V- m ,小于高柱高度。
3.根據權利要求1所述復合周期的三通道太赫茲金屬光柵波導，其特征在于，所述高矮金屬柱對對數在5-300。
4.根據權利要求1所述復合周期的三通道太赫茲金屬光柵波導，其特征在于，所述長方體金屬塊材質為鋁、 銅、銀、鐵、鎳、鈦及其合金中的一種。
5.根據權利要求1所述復合周期的三通道太赫茲金屬光柵波導，其特征在于，所述高矮金屬柱對加工方法為:機械加工、化學刻蝕、光學刻蝕及其任意組合。
6.一種復合周期的三通道太赫茲金屬光柵波導運用方法，包括復合周期的三通道太赫茲金屬光柵波導，其特征在于，將復合周期的三通道太赫茲金屬光柵波導放在水平位移臺和垂直位移臺上，使高矮柱對按著光路的方向排列，并且水平放置，固定金屬光柵波導的兩端，兩個位移臺經樣品架4固定在實驗平臺上，打開太赫茲時域光譜(TDS)系統，實驗平臺放入到TDS系統中合適的位置，先調節水平和豎直位移臺，調節光斑位置，使之照射到金屬光柵波導的中心位置，得到透射電磁波的數據。
全文摘要
本發明涉及一種復合周期的三通道太赫茲金屬光柵波導及運用方法，包括長方體金屬塊，金屬塊上面高矮金屬柱依次排列，形成數個高矮金屬柱對，每對高矮金屬柱的柱間距、柱寬、高柱高、矮柱高、柱厚都相同，高矮金屬柱對下端的金屬塊厚度大于高矮金屬柱厚。將其放入水平和豎直位移臺，置于TDS系統中合適的位置，打開太赫茲時域光譜(TDS)系統，調節水平和豎直位移臺，調節光斑位置，使之照射到金屬光柵波導的中心位置，得到透射電磁波的數據。結構簡單，在低階電磁波模式下，太赫茲波在金屬光柵波導表面耦合成表面等離子激(SPP)，經過設定幾何尺寸的金屬光柵波導，重新耦合成電磁波。實現多個密集、對稱、等間距、穩定的傳輸通道。
文檔編號G02B6/12GK103217739SQ201310139468
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月22日 優先權日2013年4月22日
發明者陳麟, 朱亦鳴, 徐嘉明, 臧小飛, 彭滟, 蔡斌, 徐公杰 申請人:上海理工大學