本發(fā)明涉及一種諧振裝置，屬于超材料
技術(shù)領(lǐng)域：
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背景技術(shù)：
：全介質(zhì)超材料是一種人工設(shè)計(jì)制作的亞波長(zhǎng)周期性介質(zhì)諧振結(jié)構(gòu)材料。由于全介質(zhì)超材料能夠非常容易操控電磁波的響應(yīng)和極低的損耗，可以獲得自然界介質(zhì)不能獲得的特性而受到廣泛重視。目前在生物傳感、隱身衣、負(fù)折射率、光子器件等領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用。目前對(duì)金屬超材料諧振器，由于金屬的歐姆損耗和諧振輻射損耗使提高q值(qualityfactory，品質(zhì)因子，諧振峰中心頻率除以諧振峰寬度，諧振寬度以fwhm(fullwidthathalfmaxium)計(jì)算)成為非常難以解決的問題。而全介質(zhì)超材料可以克服金屬損耗和輻射損耗，為實(shí)現(xiàn)高q諧振提供了可能性。但目前高品質(zhì)因子及實(shí)現(xiàn)高q電磁諧振的全介質(zhì)超材料設(shè)計(jì)方法還很少。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是提供一種具有高品質(zhì)因子的全介質(zhì)超材料諧振裝置。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：本發(fā)明高品質(zhì)因子的全介質(zhì)超材料諧振裝置包括基底和位于基底的上表面上的二維周期性介質(zhì)諧振單元，所述基底由介質(zhì)材料制作，每個(gè)所述介質(zhì)諧振單元為橫截面為矩形的介質(zhì)條，所述介質(zhì)條的長(zhǎng)度、寬度和高度滿足以下條件：a≥2b,a≥2.5h,1.6a≤λ≤2.4a，其中，a表示介質(zhì)條的長(zhǎng)度，b表示介質(zhì)條的寬度，h表示介質(zhì)條的高度，λ為所述諧振裝置的諧振中心波長(zhǎng)，所述介質(zhì)諧振單元的介電常數(shù)大于基底的介電常數(shù)。進(jìn)一步地，入射電磁波與所述介質(zhì)條的上表面垂直，且入射電磁波的電場(chǎng)偏振方向與所述介質(zhì)條的第一側(cè)面垂直，第一側(cè)面的長(zhǎng)度為a、寬度為h。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明的二維周期性介質(zhì)諧振單元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由于介質(zhì)條的橫截面為矩形，當(dāng)介質(zhì)條的幾何參數(shù)滿足以下條件：a≥2b,a≥2.5h,1.6a≤λ≤2.4a(a、b、h分別表示介質(zhì)條的長(zhǎng)度、寬度、高度，λ為所述諧振裝置的諧振中心波長(zhǎng))并且諧振單元的介電常數(shù)高于基底時(shí)，若入射電磁波與介質(zhì)條的上表面垂直，且入射電磁波的電場(chǎng)偏振方向與介質(zhì)條的第一側(cè)面垂直，能夠產(chǎn)生mie高階電磁諧振，獲得很高的諧振品質(zhì)因子。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了在傳感、濾波及光納米器件等方面的重要應(yīng)用。附圖說明圖1為本發(fā)明高品質(zhì)因子的全介質(zhì)超材料諧振裝置的一種結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖1的俯視圖。圖3為圖1的左視圖。圖4為本發(fā)明全介質(zhì)超材料諧振裝置在入射電磁波的電場(chǎng)偏振方向?yàn)閤方向的情況下由有限元算法計(jì)算得到在580納米—740納米的透射率譜曲線。圖5為本發(fā)明全介質(zhì)超材料諧振裝置在介質(zhì)條的高度和寬度固定，長(zhǎng)度變化時(shí)，入射電磁波的電場(chǎng)偏振方向?yàn)閤方向的情況下由有限元法計(jì)算得到在585納米—740納米的透射率譜曲線。圖6為本發(fā)明全介質(zhì)超材料諧振裝置在介質(zhì)條的高度和長(zhǎng)度固定，寬度變化時(shí)，入射電磁波的電場(chǎng)偏振方向?yàn)閤方向的情況下由有限元法計(jì)算得到在585納米—780納米的透射率譜曲線。具體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明全介質(zhì)超材料諧振裝置的結(jié)構(gòu)。如圖1至圖3所示，本發(fā)明全介質(zhì)超材料諧振裝置包括基底21和位于基底21的上表面上的二維周期性介質(zhì)諧振單元?；?1由介質(zhì)材料制作而成。所謂二維周期性介質(zhì)諧振單元是由多個(gè)介質(zhì)諧振單元按二維周期性分布構(gòu)成(參見圖2)。在本發(fā)明中，每個(gè)介質(zhì)諧振單元為一介質(zhì)條12，該介質(zhì)條12的橫截面為矩形。具體地說，如圖1至圖3所示，若以a表示介質(zhì)條12的長(zhǎng)度，b表示介質(zhì)條12的寬度，h表示介質(zhì)條12的高度，則介質(zhì)條12的橫截面的長(zhǎng)度為a、寬度為b。并且，介質(zhì)條12的長(zhǎng)度、寬度和高度滿足以下條件：a≥2b,a≥2.5h,1.6a≤λ≤2.4a，其中，λ為本發(fā)明全介質(zhì)超材料諧振裝置的諧振中心波長(zhǎng)。此外，在本發(fā)明中，介質(zhì)諧振單元的介電常數(shù)大于基底21的介電常數(shù)。如圖3所示，本發(fā)明全介質(zhì)超材料諧振裝置使用時(shí)，入射電磁波朝著介質(zhì)條12的上表面射入，并且與介質(zhì)條12的上表面垂直，且入射電磁波的電場(chǎng)偏振方向與介質(zhì)條12的第一側(cè)面121垂直。如圖3所示，第一側(cè)面121的長(zhǎng)度為a、寬度為h。在圖1和圖2中，第一側(cè)面121為介質(zhì)條12的左側(cè)面。需要說明的是，如圖1至圖3所示，入射電磁波的電場(chǎng)偏振方向與介質(zhì)條12的第一側(cè)面121垂直是指入射電磁波的電場(chǎng)偏振方向與x軸方向相同。圖3中，k為波矢，即為入射電磁波的傳播方向，e為電場(chǎng)偏振方向，h為磁場(chǎng)偏振方向。以下以基底21的材料為石英、介質(zhì)條12為硅條為例對(duì)本發(fā)明全介質(zhì)超材料諧振裝置作進(jìn)一步的說明。在本實(shí)施例中，硅條的介電常數(shù)為11.9，硅條的長(zhǎng)度a為340納米、寬度b為150納米、高度h為100納米?；?1的材料為石英，其折射率n為1.46(介電常數(shù)為2.1316)。如圖2所示，在本實(shí)施例中，四個(gè)硅條構(gòu)成二維周期性介質(zhì)諧振單元，其中，沿y軸方向的周期長(zhǎng)度py為440納米，沿x軸方向的周期長(zhǎng)度px為400納米。將本實(shí)施例獲得的全介質(zhì)超材料諧振裝置用有限元法計(jì)算得到在580納米—740納米范圍的透射率譜圖(如圖4所示)。從圖4中可以看出，在中心波長(zhǎng)為594納米和674.5納米處各有一個(gè)諧振，即為介質(zhì)mie諧振。由mie諧振理論和電磁場(chǎng)空間矢量圖(未示出)可以判斷，該兩個(gè)諧振分別為mie磁偶極諧振和電偶極諧振。其中，594納米處磁諧振的q值較低，為44，對(duì)諧振單元的幾何參數(shù)不敏感；674.5納米處電諧振的q值較高，為218，受介質(zhì)諧振單元的幾何參數(shù)(如介質(zhì)條的長(zhǎng)、寬等幾何參數(shù))的影響較大。圖5為本實(shí)施例獲得的全介質(zhì)超材料諧振裝置在介質(zhì)條12的高度(100nm)和寬度(150nm)固定，而長(zhǎng)度變化時(shí)，入射電磁波的電場(chǎng)偏振方向與介質(zhì)條12的第一側(cè)面121垂直(即沿著x軸方向)的情況下由有限元法計(jì)算得到在585納米—740納米的透射率譜曲線。從圖5中可以看出，本實(shí)施例獲得的全介質(zhì)超材料諧振裝置在中心波長(zhǎng)590納米～610納米范圍內(nèi)為磁諧振，670納米～720納米范圍內(nèi)為電諧振；并且，本實(shí)施例獲得的全介質(zhì)超材料諧振裝置的諧振中心波長(zhǎng)隨介質(zhì)條12的長(zhǎng)度增大而變大，其中電諧振的q值隨介質(zhì)條12的長(zhǎng)度的變化而有較大的變化。表1中示出了在硅條的寬度和高度不變時(shí)，本實(shí)施例獲得的全介質(zhì)超材料諧振裝置的電諧振中心波長(zhǎng)和品質(zhì)因子隨硅條長(zhǎng)度的變化而發(fā)生變化。表1由表1可以看出，本實(shí)施例獲得的全介質(zhì)超材料諧振裝置當(dāng)介質(zhì)諧振單元的長(zhǎng)度a從340納米增大到430納米時(shí)，相應(yīng)的電諧振品質(zhì)因子從218增大至25660，且介質(zhì)諧振單元的長(zhǎng)度a越接近py時(shí)，電諧振q值越大。圖6為本實(shí)施例獲得的諧振裝置在介質(zhì)諧振單元的高度(100nm)和長(zhǎng)度(420nm)固定，而寬度變化時(shí)，入射電磁波e的電場(chǎng)偏振方向?yàn)閤軸方向的情況下，由有限元法計(jì)算得到在585納米—780納米的透射率譜曲線。從圖6中可以看出，全介質(zhì)超材料諧振裝置在580納米—630納米范圍內(nèi)為磁諧振，在670納米—760納米范圍內(nèi)為電諧振，其中，全介質(zhì)超材料諧振裝置的諧振中心波長(zhǎng)隨著介質(zhì)諧振單元的寬度的變化而變化，且電諧振q值的變化較大，可以實(shí)現(xiàn)很高q值。表2中示出了硅條在不同寬度時(shí)，全介質(zhì)超材料諧振裝置的電諧振中心波長(zhǎng)和品質(zhì)因子的變化。表2b(納米)λ(納米)電諧振q值120656.512100130676.78800140697.77270150718.36080160737.951501707564560由表2可以看出，當(dāng)介質(zhì)諧振單元的寬度變小時(shí)，全介質(zhì)超材料諧振裝置的電諧振品質(zhì)因子變大；當(dāng)介質(zhì)諧振單元的寬度為120納米時(shí)，全介質(zhì)超材料諧振裝置的電諧振品質(zhì)因子為12100，已具有極高的電諧振品質(zhì)因子。由上可知，本發(fā)明全介質(zhì)超材料諧振裝置通過改變介質(zhì)條12的長(zhǎng)、寬、高等幾何參數(shù)，可以在不同程度上調(diào)節(jié)電諧振中心波長(zhǎng)的大小和電諧振品質(zhì)因子的大小，獲得極高的電諧振品質(zhì)因子。本發(fā)明高品質(zhì)因子的全介質(zhì)諧振裝置可以應(yīng)用于濾波器、超靈敏傳感器、負(fù)折射率等領(lǐng)域，用于制作光波段、太赫茲及微波等波段的高性能器件和超靈敏度傳感器等。當(dāng)前第1頁12