采用双缝金属结构实现表面波能量定向传输的设计方法

摘要

采用双缝金属结构实现表面波能量定向传输的设计方法，其特征在于：确定入射光，根据其波长λ选择基底，并在其表面蒸镀厚度t的金属层；在金属层上开两条缝，假设缝宽为a，两缝中心间距为d，分别填充两种不同介质；让入射光垂直基底另一表面入射，可知两种介质在入射光作用下等效折射率，通过调制两金属缝出口处激起的表面波初始相位，使得出射光场的传播方向在某一特定方向上，通过缝的宽度跟缝内介质等效折射率之间的关系以及两金属缝出口处激起的表面波初始相位公式，可计算得到所设计的金属缝宽a，两缝中心间隔d；本发明设计所得结构简单，在一个金属面上即可完成整个结构的设计和制作，该结构可被用于需要定向耦合的器件中，实现对光束的定向控制。

主权项

1.采用双缝金属结构实现表面波能量定向传输的设计方法，其特征在于以下步骤：(1)确定入射光的工作波长，根据入射光的波长λ，选择基底材料，并在其表面蒸镀厚度为t的金属层；(2)在金属层上开两条缝，假设金属缝的宽度为a，两金属缝的中心间距为d；(3)在两条金属缝中分别填充两种不同的介质，其介电常数分别为ε1和ε2，让入射光垂直基底另一表面入射，此时两条金属缝中介质在入射光的作用下其等效折射率为N1和N2，那么应用公式(1)、公式(2)计算两条金属缝出口处激起的表面波初始相位φ1，φ2分别为：${\phi }_1=N_1·t·\frac{2\pi }{\lambda }---\left(1\right)$ ${\phi }_2=N_2·t·\frac{2\pi }{\lambda }---\left(2\right)$ (4)为使能量在某一方向上相干迭加能量增大，而在另一方向上由于干涉相消能量减小，那么两条金属缝隙出口处的初始相位必须满足：${\phi }_1+d\frac{2\pi }{{\lambda }_{\mathrm{sp}}}={\phi }_2+2\mathrm{k\pi }---\left(3\right)$ ${\phi }_2+d\frac{2\pi }{{\lambda }_{\mathrm{sp}}}={\phi }_1+(2k+1)\pi ---\left(4\right)$ 其中，k为正整数，λsp＝2π/Re(ksp)，$k_{\mathrm{sp}}=k_0·\sqrt{\frac{{ϵ}_m{ϵ}_0}{{ϵ}_m+{ϵ}_0}},$ε0为空气的介电常数，εm为金属的介电常数，λsp表示表面波的波长，ksp表示表面波的波矢；将公式(3)，公式(4)两式相减，可以得到：${\phi }_2-{\phi }_1=\frac{\pi }{2}---\left(5\right)$ 将公式(1)和公式(2)代入公式(5)中，可以得到：$(N_2-N_1)·t·\frac{2\pi }{\lambda }=\frac{\pi }{2}$ 即两缝的等效折射率之差为：$N_2-N_1=\frac{\lambda }{4t}---\left(6\right)$ (5)应用公式(7)计算可以得到缝的宽度跟缝的等效折射率之间的关系：$\tanh (\sqrt{{\beta }^2-k_0^2{ϵ}_d}a/2)=\frac{{-ϵ}_d\sqrt{{\beta }^2-k_0^2{ϵ}_m}}{{ϵ}_m\sqrt{{\beta }^2-k_0^2}{ϵ}_d}---\left(7\right)$ 其中：β＝N·k0，β表示传播常数，N是介质的等效折射率，k0是光在自由空间中的波矢，a为金属缝的宽度，εd和εm分别是介质的介电常数和金属的介电常数，由此式计算可以分别得到N1，N2与缝宽a的关系以及N1-N2与缝宽a的关系，再根据公式(6)的计算结果，可以计算得到金属缝的宽度a，通过公式(3)计算可以得到两缝之间的间隔d；(6)通过上述步骤可以得到金属缝的宽度a，两缝的中心间隔d，以及缝中填充的介质，利用现有加工技术可以完成上述设计设计所得的结构的制作。