本發(fā)明涉及一種基于金屬平板的艾里光束發(fā)生器，涉及波導(dǎo)導(dǎo)波領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

太赫茲技術(shù)被美國評為“改變未來世界的十大技術(shù)”之一，被日本列為“國家支柱十大重點戰(zhàn)略目標(biāo)”之首。金屬在太赫茲波段具有極高的介電常數(shù)，相當(dāng)于一個完美電導(dǎo)體(perfectelectricconductor，pec)，太赫茲輻射無法穿透導(dǎo)電的物體，電磁波在金屬表面幾乎全部反射，因此對于大多數(shù)電磁輻射，金屬都是不透明的。太赫茲波在金屬平板波導(dǎo)中傳播時，群速度隨頻率變化不大，基本不產(chǎn)生色散，因此能有效抑制傳輸模中因群速度色散而產(chǎn)生的脈沖展寬，脈沖傳輸失真小。使用金屬板在太赫茲波段制作平板波導(dǎo)時，電磁波在導(dǎo)波層傳播發(fā)生全反射時幾乎不會出現(xiàn)由于衰減導(dǎo)致的倏逝波，沒有古斯-漢森位移。

衍射是光束的基本特征，可用于解釋大多數(shù)經(jīng)典波動現(xiàn)象。由于存在衍射，常規(guī)的無約束光束將逐漸變大，并且在傳播過程中能量將逐漸發(fā)散。因此，減小或者消除衍射效應(yīng)是非常重要的。沿著直線和曲線傳輸?shù)姆茄苌涔馐膬蓚€主要代表是貝塞爾光束和艾里光束。除了非衍射外，艾里光束還具有其他有吸引力的特性，如自橫向加速特性，自彎曲特性和自愈合特性。由于這些獨特的光學(xué)特性，艾里光束在很多光學(xué)領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力，例如構(gòu)建自會聚光束、等離子體、微粒操控、光子彈、艾里激光器和大氣傳輸。在1979年berry和balazs在量子力學(xué)領(lǐng)域作出了重要的預(yù)測：薛定諤方程具有遵循艾里函數(shù)的波包解。berry認(rèn)為，艾里波包是一維薛定諤方程的唯一非衍射解。然而，直到2007年，georgiossiviloglou和其他同事才在自由空間光學(xué)系統(tǒng)中觀察到了艾里光束。由于艾里函數(shù)的復(fù)雜性，傳統(tǒng)產(chǎn)生艾里光束的方法通常是使用空間光調(diào)制器或者相位板來實現(xiàn)相位和幅度調(diào)制，例如siviloglouga，brokyj，dogariua，etal.“ballisticdynamicsofairybeams，”[j].opticsletters，2008，33(3)：207-9.和caor，yangy，wangj，etal.“microfabricatedcontinuouscubicphaseplateinducedairybeamsforopticalmanipulationwithhighpowerefficiency，”[j].appliedphysicsletters，2011，99(26)：213901.。然而，這些光學(xué)元件通常體積龐大，不利于系統(tǒng)集成，從而限制了其在微納米技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。超表面材料其利用單層結(jié)構(gòu)化的金屬材料實現(xiàn)對電磁波的裁剪和調(diào)控，可以提供相位和幅度調(diào)制，并且近年來已經(jīng)使用來產(chǎn)生艾里光束，例如minovicha，kleinae，januntsn，etal.“generationandnear-fieldimagingofairysurfaceplasmons，”[j].physicalreviewletters，2011，107(11)：116802.和liz，chengh，liuz，etal.“plasmonicairybeamgenerationbybothphaseandamplitudemodulationwithmetasurfaces，”[j].advancedopticalmaterials，2016，4(8)：1230-1235.。然而，實現(xiàn)超表面通常是具有挑戰(zhàn)性的，涉及到復(fù)雜的設(shè)計和昂貴的制作過程，并且應(yīng)用超表面結(jié)構(gòu)傳播電磁波時不可避免的會在電磁波傳播過程中產(chǎn)生色散以及歐姆損耗。光學(xué)頻段使用平行板金屬波導(dǎo)實現(xiàn)艾里光束的有choid，limy，leeim，etal.“airybeamexcitationusingasubwavelengthmetallicslitarray，”[j].ieeephotonicstechnologyletters，2012，24(16)：1440-1442.，但是這篇文章中使用階梯式的傳播長度來控制相位增加了實驗制作上的難度。因此設(shè)計簡單制作的艾里光束發(fā)生器同時降低電磁波傳播過程中產(chǎn)生的色散以及歐姆損耗成為了本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明提出了一種色散小、歐姆損耗低、耦合效率高、結(jié)構(gòu)簡單的一種基于金屬平板的艾里光束發(fā)生器。

技術(shù)方案：

本發(fā)明提出的一種基于金屬平板的艾里光束發(fā)生器，其特征在于：由至少十組平行排列、間隔不等、長度一致的金屬平板組(1)，金屬平板間的填充材料(2)以及金屬平板的支架(3)組成，其中入射光的傳播方向為z方向，金屬平板周期相等，第一、三、五、七、九組內(nèi)的金屬平板間隔均為d1，第二、四、六、八、十組內(nèi)的金屬平板間隔均為d2，且金屬平板間隔為d1和d2時產(chǎn)生的相位變化正好相差π，符合艾里函數(shù)的相位要求arg(φ(s，0))＝arg(ai(s)exp(as))，每組內(nèi)金屬平板的周期數(shù)由艾里函數(shù)的振幅分布要求abs(φ(s，0))＝abs(ai(s)exp(as))決定。

所述金屬平板(1)的材料為金屬，其在太赫茲波段的電導(dǎo)率要大于10⁷s/m。

所述金屬平板(1)的厚度大于金屬在太赫茲波段的趨膚深度，并且由所述金屬平板(1)所引起的相位變化φ＝βl和振幅分布要滿足艾里函數(shù)有限能量分布公式其中l(wèi)為所述金屬平板(1)的長度，s＝x/x0為歸一化的x軸坐標(biāo)，為艾里函數(shù)，ζ＝z/k0x0²為歸一化的傳播距離，a為衰減系數(shù)，β為單個金屬平板單元結(jié)構(gòu)的傳播常數(shù)，由入射光的偏振態(tài)和金屬平板間的間隔大小共同決定。

所述金屬平板間的填充材料(2)是空氣。

所述金屬平板的支架(3)的材料為聚合物聚丙酯。

所述金屬平板的周期固定，且要小于或等于入射波長。

有益效果：

1.本發(fā)明在傳播太赫茲波時電磁波被限制在兩片金屬板之間傳播，被金屬板完美反射，波形和光譜幾乎不扭曲，因此色散較小。

2.本發(fā)明與其他艾里光束發(fā)生器相比，只由不同厚度金屬板按照一定間隔平行堆棧組成，結(jié)構(gòu)簡單，易于制作。

3.本發(fā)明與其他艾里光束發(fā)生器相比，具有歐姆損耗低、耦合效率高的優(yōu)點。

附圖說明

下面結(jié)合附圖及具體方式對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明中單個平行金屬平板單元結(jié)構(gòu)在入射光的波長λ0＝1mm，金屬平板間隔d＝0.1～1mm范圍內(nèi)的透過率譜曲線示意圖，圖中插圖為單個平行金屬平板單元結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖3為本發(fā)明中單個平行金屬平板單元結(jié)構(gòu)在入射光的波長λ0＝1mm，金屬平板間隔d＝0.1～1mm范圍內(nèi)的相位譜曲線圖，圖中插圖為單個平行金屬平板單元結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖4為本發(fā)明中實施例根據(jù)函數(shù)使得a＝0.04，x0＝2.22mm，λ0＝1mm理論計算出的艾里函數(shù)分布圖。

圖5為本發(fā)明中實施例根據(jù)函數(shù)在輸出端口面(z＝0)有φ(s，0)＝ai(s)exp(as)，使得a＝0.04，x0＝2.22mm，λ0＝1mm，理論計算出的艾里函數(shù)振幅譜和相位譜曲線圖。

圖6為本發(fā)明中實施例設(shè)計艾里函數(shù)發(fā)生器參數(shù)為a＝0.04，x0＝2.22mm，λ0＝1mm時，使用二維有限元差分時域仿真軟件lumericalfdtdsolutions仿真得到的xz截面電場分布圖。

圖7為本發(fā)明中實施例設(shè)計艾里函數(shù)發(fā)生器參數(shù)為a＝0.04，x0＝2.22mm，λ0＝1mm時，在距離輸出端口5mm處放置一個大小為4mm×1mm的金屬薄片，使用二維有限元差分時域仿真軟件lumericalfdtdsolutions仿真得到的xz截面電場分布圖。

具體實施方式

正如背景技術(shù)部分所述，如何設(shè)計出一種色散小、歐姆損耗低、耦合效率高、結(jié)構(gòu)簡單的基于金屬平板的艾里光束發(fā)生器，成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的技術(shù)問題。下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖1所示，是本發(fā)明的基于金屬平板的艾里光束發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖，圖中畫出了第一組和第十組，第二組到第九組省略。圖中(1)為平行排列、間隔不等、長度一致的金屬平板，(2)為金屬平板間的填充材料空氣，(3)為金屬平板的支架，材料為聚合物聚丙酯。p為金屬平板的周期，d為相鄰平行金屬板之間的間隔，l為金屬平板的長度，電磁波沿z方向傳播，且為正入射。入射光是te模式的線性偏振光，電場的振動方向是y方向，磁場的振動方向是x方向。第一、三、五、七、九組內(nèi)的金屬平板間隔均為d1，第二、四、六、八、十組內(nèi)的金屬平板間隔均為d2，且金屬平板間隔為d1和d2時產(chǎn)生的相位變化正好相差π，符合艾里函數(shù)的相位要求。

一種基于金屬平板的艾里光束發(fā)生器，包括：至少十組平行排列、間隔不等、長度一致的金屬平板組(1)、金屬平板間的填充材料(2)以及金屬平板的支架(3)如圖1所示。金屬在太赫茲波段具有極高的介電常數(shù)，相當(dāng)于一個完美電導(dǎo)體(perfectelectricconductor，pec)，太赫茲輻射無法穿透導(dǎo)電的物體，電磁波在金屬表面幾乎全部反射，因此對于大多數(shù)電磁輻射，金屬都是不透明的。太赫茲波在金屬平板間傳播時，群速度隨頻率變化不大，基本不產(chǎn)生色散，因此能有效抑制傳輸模中因群速度色散而產(chǎn)生的脈沖展寬，脈沖傳輸失真小。平行金屬板透鏡由一些平行的金屬板排列而成，電磁波通過這種透鏡時，類似于電磁波在波導(dǎo)中傳輸一樣。根據(jù)惠更斯原理，從相鄰金屬平板間發(fā)出的衍射光波可以作為單獨的點光源，這些點光源具有新的初始電場強(qiáng)度和相位分布，因此這些點光源之間的干涉可以產(chǎn)生特定的干涉圖案。當(dāng)入射光為te偏振態(tài)時，會在金屬平板波導(dǎo)中激發(fā)出工作模式為te1的模式，te1模式下的傳播常數(shù)是k為真空波矢，d為平行金屬平板之間的間隔，l為金屬平板的傳播長度，傳播常數(shù)的定義為單位距離上的相位變化，因此有相位延遲φ＝βl。原理是太赫茲波在金屬平板陣列傳播時會在金屬平板單元結(jié)構(gòu)的空氣-金屬界面產(chǎn)生突變相移，這個突變相移由入射光的偏振態(tài)和金屬平板間的間隔大小共同決定。

本實施例金屬平板工作在te1模，工作模式為te1模的金屬平板具有傳播常數(shù)圖2為單個平行金屬平板單元結(jié)構(gòu)在入射光波長λ0＝1mm，金屬平板間隔d＝0.1～1mm范圍內(nèi)的透過率譜曲線示意圖。金屬材料選擇為銅，入射光為te偏振。由于te1模式下截止波長λc＝2d，當(dāng)d＜λc/2時傳播常數(shù)β為純虛數(shù)，沒有傳播發(fā)生，透過率為0，只有d≥λc/2本結(jié)構(gòu)才能處于導(dǎo)模模式，即當(dāng)d≥λd/2＝0.5mm時才可以傳播電磁波。當(dāng)d＝0.5mm時波導(dǎo)傳播常數(shù)為0，剛好可以傳播電磁波，透過率很低約為20％；當(dāng)d＞0.5mm時，處于導(dǎo)模狀態(tài)，透過率幾乎為常數(shù)，平均透過率約為90％。圖3為單個平行金屬平板單元結(jié)構(gòu)在入射光波長λ0＝1mm，金屬平板間隔d＝0.1～1mm范圍內(nèi)的相位譜曲線示意圖。當(dāng)d＜0.5mm時波導(dǎo)截止，傳播常數(shù)β為純虛數(shù)，相位為0；當(dāng)d＝0.5mm時波導(dǎo)傳播常數(shù)為0，相位為0；當(dāng)d＞0.5mm時，傳播常數(shù)β為實數(shù)，相位隨d變化。艾里函數(shù)有限能量分布公式為其中l(wèi)為所述金屬平板(1)的長度，s＝x/x0為歸一化的x軸坐標(biāo)，ai為艾里函數(shù)，ζ＝z/k0x0²為歸一化的傳播距離，a為衰減系數(shù)，β為單個金屬平板單元結(jié)構(gòu)的傳播常數(shù)，由入射光的偏振態(tài)和金屬平板間的間隔大小共同決定。圖4為使a＝0.04，x0＝2.22mm，λ0＝1mm理論計算出的艾里函數(shù)分布圖，圖4中可以看出光束朝向x方向彎曲并且具有很明顯的非衍射特性。在輸出端口面(z＝0)有φ(s，0)＝ai(s)exp(as)，使a＝0.04，x0＝2.22mm，λ0＝1mm計算上式的振幅和相位可產(chǎn)生如圖5所示的振幅譜和相位譜。圖5中可以看出在-30mm＜d＜0mm范圍內(nèi)有10個瓣，10個瓣的振幅譜依次振蕩減小，相鄰瓣的相位相差π。結(jié)合圖2和圖3合理設(shè)置金屬平板厚度和周期數(shù)使得d＝d(x)符合艾里函數(shù)振幅和相位分布即可產(chǎn)生艾里光束。

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更為明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式做詳細(xì)的說明。

實施例

設(shè)計一個工作波長為λd＝1mm，a＝0.04，x0＝2.22mm的艾里光束實例，周期p＝1mm，根據(jù)圖5設(shè)計本實施例由三十一塊金屬平板構(gòu)成，具有三十個金屬平板間隙。由圖5可以看到-30mm＜d＜0mm范圍內(nèi)有10個瓣，奇數(shù)(第一、三、五、七、九組)瓣相位為0，偶數(shù)(第二、四、六、八、十組)瓣相位為π，因此結(jié)合圖2和圖3設(shè)置奇數(shù)瓣部分平行金屬平板之間的間隔為d1＝0.517mm，偶數(shù)瓣部分平行金屬平板之間的間隔為d2＝0.76mm。本實施例設(shè)計中振幅與平行金屬板周期數(shù)目有關(guān)，周期數(shù)目越多，振幅越高。圖5中10個瓣的振幅振蕩減小，10個瓣的振幅比約為7∶4∶3∶3∶3∶2∶2∶2∶2∶2，從而設(shè)置十組金屬平板中的周期數(shù)目依次為7，4，3，3，3，2，2，2，2，2。使用二維有限元差分時域仿真軟件lumericalfdtdsolutions仿真得到的xz截面電場分布圖如圖6。圖6中可以清楚地看到看到艾里光束的非衍射以及自彎曲特性。與圖4相比可以看到圖6的輸出端口附近有微小衍射，主瓣的偏轉(zhuǎn)角略小于圖4，這是因為圖6的電場分布是將艾里函數(shù)有限能量分布公式做了離散化分析仿真出來的，而圖4完全是解析解，差別來自于圖6樣本的離散以及狹縫周期必須滿足是整數(shù)因此無法精確滿足振幅配比。圖7為本發(fā)明中實施例設(shè)計艾里函數(shù)發(fā)生器參數(shù)為a＝0.04，x0＝2.22mm，λ0＝1mm時，在距離輸出端口5mm處放置一個大小為4mm×1mm的金屬薄片，使用二維有限元差分時域仿真軟件lumericalfdtdsolutions仿真得到的xz截面電場分布圖。圖7可以看出在艾里光束主瓣光路前放置金屬薄片，這個金屬障礙物只影響了它附近局部的電場，越過障礙物傳輸一段距離之后電場分布又恢復(fù)到了之前的形狀，只是強(qiáng)度略微有點減弱，這種現(xiàn)象驗證了艾里光束的自修復(fù)特性。

上面所述的實施例僅僅是對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進(jìn)行描述，并非對本發(fā)明的構(gòu)思和范圍進(jìn)行限定。在不脫離本發(fā)明設(shè)計構(gòu)思的前提下，本領(lǐng)域普通人員對本發(fā)明的技術(shù)方案做出的各種變型和改進(jìn)，均應(yīng)落入到本發(fā)明的保護(hù)范圍，本發(fā)明請求保護(hù)的技術(shù)內(nèi)容，已經(jīng)全部記載在權(quán)利要求書中。