开云优惠体育网页版入口

专利名称：一种调节复合偶极子近场定向系统

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202311681316.7

专利申请（专利权）人：浙江大学金华研究院,浙江大学
权利人地址：浙江省金华市金义新区金华开云优惠体育网页版入口城浙大网新孵化园A区

专利发明（设计）人：林晓,王婵,陈佳林,廖大双,张新岩,王华萍,陈红胜

专利摘要：本发明公开了一种调节复合偶极子近场定向系统，涉及光学技术领域，包括：平行平板波导、Janus偶极子、非磁性材料，所述非磁性材料设置于所述平行平板波导中间，所述Janus偶极子设置于所述非磁性材料内部，在垂直于平行平板波导的面内旋转。本发明公开的一种调节复合偶极子近场定向系统通过在平行于光学界面的平面上旋转Janus偶极子本身，来翻转Janus偶极子的耦合面的方向，而不依赖于表面波偏振的变化，为调节近场耦合中的干涉提供了另一种范式。

主权利要求：
1.一种调节复合偶极子近场定向系统，其特征在于，包括：平行平板波导、Janus偶极子(5)、非磁性材料，所述非磁性材料设置于所述平行平板波导中间，所述Janus偶极子(5)设置于所述非磁性材料内部，在垂直于平行平板波导的面内旋转；
所述平行平板波导为垂直间隔固定距离的两块相互平行的完美电导体(1)；
所述非磁性材料包括：第一非磁性材料(2)、第二非磁性材料(3)，所述第二非磁性材料(3)设置于两块所述第一非磁性材料(2)中间；所述Janus偶极子(5)设置于所述第二非磁性材料(3)内部，所述Janus偶极子(5)垂直到达所述第一非磁性材料(2)与所述第二非磁性材料(3)的接触面的距离相同，所述接触面之间相互平行，所述Janus偶极子(5)旋转形成的面与所述接触面平行。
2.根据权利要求1所述的一种调节复合偶极子近场定向系统，其特征在于，还包括外耦合器(4)，所述外耦合器(4)为所述第一非磁性材料(2)与所述第二非磁性材料(3)的接触面，用于观测所述Janus偶极子(5)旋转形成的耦合面和非耦合面。
3.根据权利要求1所述的一种调节复合偶极子近场定向系统，其特征在于，所述Janus偶极子(5)包括电偶极子与磁偶极子。
4.根据权利要求1所述的一种调节复合偶极子近场定向系统，其特征在于，所述Janus偶极子(5)的旋转角度取值范围为 。
5.根据权利要求1所述的一种调节复合偶极子近场定向系统，其特征在于，使所述Janus偶极子(5)的旋转的工作频率低于所述平行平板波导中TM和TE导波模式的截止频率。 说明书 : 一种调节复合偶极子近场定向系统技术领域[0001] 本发明涉及光学技术领域，更具体的说是涉及一种调节复合偶极子近场定向系统。背景技术[0002] 偏振是光的一种基本性质，在许多近场耦合现象中起着关键作用，特别是在近场方向性的操纵中。作为一个典型的例子，Janus偶极子的近场耦合面取向本质上是由线性极化表面波的极化状态决定的，即表面波是横磁(TM)波还是横电(TE)波。偏振是光的固有特性，极大地丰富了光与物质相互作用的物理特性。它提供了一种合适的方法来塑造光流，特别是操纵近场耦合，包括耦合方向和耦合强度。偏振控制的近场耦合现象是许多应用的关键，如近场显微镜、手性量子光学、光子计算、纳米路由、生物医学和临床偏振学。[0003] 光的偏振为调整近场耦合提供了两条途径。一种途径是控制入射波的偏振状态，这在实验中很容易实现。在自旋动量锁定的控制下，入射波极化的手性可以由左旋圆极化变为右旋圆极化来控制激发表面波的方向性。另一种途径是控制受激表面波的极化状态。[0004] 迄今为止，通过改变表面波的极化状态来操纵近场耦合还处于起步阶段，主要集中在线性极化的表面波上。也就是说，虽然非线性极化的表面波(例如耦合TM?TE表面波)的物理系统很丰富，但是目前依然是仅利用偶极源携带的TM或TE倏逝波来操纵近场耦合。[0005] 因此，如何通过控制非线性极化的表面波来实现偶合面的翻转是本领域技术人员亟需解决的问题。发明内容[0006] 有鉴于此，本发明提供了一种调节复合偶极子近场定向系统，通过在平行于光学界面的平面上旋转Janus偶极子本身，来翻转Janus偶极子的耦合面的方向，而不依赖于表面波偏振的变化，为调节近场耦合中的干涉提供了另一种范式。[0007] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：[0008] 一种调节复合偶极子近场定向系统，包括：平行平板波导、Janus偶极子、非磁性材料，所述非磁性材料设置于所述平行平板波导中间，所述Janus偶极子设置于所述非磁性材料内部，在垂直于平行平板波导的面内旋转。[0009] 优选的，所述平行平板波导为垂直间隔固定距离的两块相互平行的完美电导体。[0010] 优选的，所述非磁性材料包括：第一非磁性材料、第二非磁性材料，所述第二非磁性材料设置于两块所述第一非磁性材料中间；所述Janus偶极子设置于所述第二非磁性材料内部，所述Janus偶极子垂直到达所述第一非磁性材料与所述第二非磁性材料的接触面的距离相同，所述接触面之间相互平行，所述Janus偶极子旋转形成的面与所述接触面平行。[0011] 优选的，还包括外耦合器，所述外耦合器为所述第一非磁性材料与所述第二非磁性材料的接触面，用于观测所述Janus偶极子旋转形成的耦合面和非耦合面。[0012] 优选的，所述Janus偶极子包括电偶极子与磁偶极子。[0013] 优选的，所述Janus偶极子的旋转角度取值范围为[0°,90°]。[0014] 优选的，使所述Janus偶极子的旋转的工作频率低于所述平行平板波导中TM和TE导波模式的截止频率。[0015] 经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种调节复合偶极子近场定向系统，通过在平行于光学界面的平面上旋转Janus偶极子本身，来翻转Janus偶极子的耦合面的方向，而不依赖于表面波偏振的变化，为调节近场耦合中的干涉提供了另一种范式。附图说明[0016] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。[0017] 图1附图为本发明提供的定向系统结构示意图。[0018] 图2附图为本发明提供的定向系统旋转角0°示意图。[0019] 图3附图为本发明提供的定向系统旋转角90°示意图。[0020] 图4附图为本发明提供的去除完美电导体定向系统结构示意图。[0021] 图5附图为本发明提供的去除完美电导体定向系统旋转角0°示意图。[0022] 图6附图为本发明提供的去除完美电导体定向系统旋转角90°示意图。[0023] 图7附图为本发明提供的支持耦合TM?TE表面波传播的光学界面结构示意图。[0024] 图8附图为本发明提供的耦合TM?TE表面波的色散曲线示意图。[0025] 图9附图为本发明提供的仅支持TM表面波传播的光学界面结构示意图。[0026] 图10附图为本发明提供的激发耦合表面波示意图。[0027] 图11附图为本发明提供的0°耦合表面波激发的场分布示意图。[0028] 图12附图为本发明提供的90°耦合表面波激发的场分布示意图。[0029] 图13附图为本发明提供的0°线性TM表面波激发的场分布示意图。[0030] 图14附图为本发明提供的90°线性TM表面波激发的场分布示意图。[0031] 图15附图为本发明提供的Janus偶极子耦合面取向与旋转角关系示意图。[0032] 图中：1完美电导体；2第一非磁性材料；3第二非磁性材料；4外耦合器；5Janus偶极子。具体实施方式[0033] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0034] 本发明实施例公开了一种调节复合偶极子近场定向系统，包括：平行平板波导、Janus偶极子、非磁性材料，所述非磁性材料设置于所述平行平板波导中间，所述Janus偶极子设置于所述非磁性材料内部，在垂直于平行平板波导的面内旋转。[0035] 在一个具体实施例中，所述平行平板波导为垂直间隔固定距离的两块相互平行的完美电导体1。[0036] 在一个具体实施例中，所述非磁性材料包括：第一非磁性材料2、第二非磁性材料3，所述第二非磁性材料3设置于两块所述第一非磁性材料2中间；所述Janus偶极子5设置于所述第二非磁性材料3内部，所述Janus偶极子5垂直到达所述第一非磁性材料2与所述第二非磁性材料3的接触面的距离相同，所述接触面之间相互平行，所述Janus偶极子5旋转形成的面与所述接触面平行。[0037] 在一个具体实施例中，还包括外耦合器4，所述外耦合器4为所述第一非磁性材料2与所述第二非磁性材料3的接触面，用于观测所述Janus偶极子5旋转形成的耦合面和非耦合面。[0038] 在一个具体实施例中，所述Janus偶极子5包括电偶极子与磁偶极子。[0039] 在一个具体实施例中，所述Janus偶极子5的旋转角度取值范围为[0°,90°]。[0040] 在一个具体实施例中，使所述Janus偶极子5的旋转的工作频率低于所述平行平板波导中TM和TE导波模式的截止频率。[0041] 在一个具体实施例中，如图1所示，相对介电常数εa<0的第一非磁性材料2和相对介电常数εb>0的第二非磁性材料3之间的每个界面都支持耦合TM?TE表面波的传播。Janus偶极子5被放置在波导的中间，它在平行于光学界面的平面上旋转；如图2、图3所示，当旋转角从0°变为90°时，Janus偶极子耦合面翻转的示意图。说明了通过平行平板波导内的耦合TM?TE表面波可以实现Janus偶极子5超越偏振锁定的定向近场耦合。该波导由两个垂直距离为d的平行完美电导体1组成。为了观测Janus偶极子5的耦合面和非耦合面，在波导内部设计了两个平行但空间分离良好的外耦合器4。也就是说，每个外耦合器4都支持耦合TM?TE表面波的传播，外耦合器4对应于相对介电常数分别为εa和εb的第一非磁性材料2和第二非磁性材料3在y＝±y0处的光学界面。不失一般性，这里采用的Janus偶极子5是由一个电偶极子 和磁偶极子 组成的复合偶极子，其中p0＝1C·m，旋转角θ是 和 之间的夹角， 为电偶极子， 为磁偶极子。也就是说，Janus偶极子5在与我们所设计的外耦合器4界面平行的的xz平面内旋转。[0042] 如果去除完美电导体1，则界面只支持线性极化表面波，Janus偶极子耦合面不翻转，如图4?6所示。[0043] 假设Janus偶极子处在相对介电常数为εr，以材料a为第一非磁性材料，材料b为第二非磁性材料，相对磁导率为μr的普通非磁性物质中。经过计算，可以近似地得到y＝±y0界面处的耦合TM?TE表面波：[0044][0045] 其中i是虚部单位，εr和μr分别是介质的相对介电常数和相对磁导率。是耦合TM?TE表面波的波矢，kx,spp为坐标系x方向的耦合TM?TE表面波的波矢，ky,spp为坐标系y方向的耦合TM?TE表面波的波矢，kz＝mπ/d(m是正整数)是导波条件，z∈[?d/2,d/2]，k0＝ω/c，ε0真空的介电常数，ω是角频率。作为概念展示，接下来我们只考虑最低阶(m＝1)耦合表面波的情况，即kz＝π/d。据此，我们可以算得[0046][0047][0048][0049] 其中 和 分别是在TM和TE导波模式入射下的反射系数。考虑到无损条件下因此|β1|和|β2|都是常数。[0050] 当旋转角θ＝0°或θ＝90°,方程(1)可以化简为:[0051][0052][0053] 其中是常数。如果C1和C3的值接近1，而C2和C4的值接近或远远小于1，那么 和在y方向会有高度不对称性。也就是说 或者不论θ0＝0°还是90°。因此，方程(2)和(3)表明，Janus偶极子有两个近场耦合面，但是它们具有不同的耦合强度。因此，具有相对强(相对弱)耦合强度的Janus偶极子面称为耦合(非耦合)面。[0054] 此外，如果C1C3>0(等效于方程(2)和(3)中的εrμr>0),我们可以进一步得到:[0055][0056] 由公式(4)可知，将Janus偶极子的旋转角从0°改变为90°，它的耦合面和非耦合面会发生翻转，如图1?3所示。我们强调，这个翻转过程发生在y方向，而Janus偶极子本身的旋转发生在xz平面。为了和以往工作进行比较，我们还在图4?6中展示了外耦合器只支持线极化表面波时，Janus偶极子旋转对近场耦合方向的影响。在这种情况下，任意旋转Janus偶极子，它的耦合面取向都保持不变。实际上，此时耦合面只跟随Janus偶极子本身的旋转而在xz平面上旋转。[0057] 由于耦合TM?TE表面波在调节近场耦合方面的重要作用，我们利用图7所示结构深入研究其基本特性。通过匹配边界条件，我们可以得到平行平板波导内材料a和b界面处最低阶耦合TM?TE表面波的色散关系:[0058][0059] 其中 kz＝πd， (j＝a或b)是在材料a或b中的波矢量的幅值。一般来说，填充材料都是非磁性材料，即a和b的相对磁导率μa＝μb＝1。那方程(5)可以简化为:[0060] ka,yεb+kb,yεa＝06[0061] 巧合的是，公式(6)也是在不存在两个完美电导体的情况下，在材料a和b界面上传播的TM表面波的色散。简单来说，公式(6)既可以控制kz＝πd的耦合TM?TE表面波的色散，也可以控制kz＝0的线性TM表面波的色散。这样巧合的结论没有在以前的工作中报道过。[0062] 根据公式(6)，将图8中最低阶耦合表面波与TM表面波的色散关系进行比较，设εb＝3, d＝2πcωp，其中ωp为材料a的等离子体频率。我们发现耦合表面波的色散线始终高于TM表面波的色散线，即在给定频率下，耦合表面波的波长始终大于TM表面波的波长。其次，当频率增加时，两条色散线趋于合并，因为kx,spp越大，kz(无论是kz＝πd还是kz＝0)对色散线形状的影响就越弱。第三，耦合表面波的色散线可以部分位于材料b本身的色散线以上，而TM表面波的色散线始终位于材料b本身的色散线以下。我们进一步发现，这些最低阶耦合表面波总是具有垂直于界面的磁场分量为零的特征，这是由色散关系决定的。具体地说，根据公式(6)，我们可以得到：[0063][0064] 其中Hy0是一个常数。图10中激发的最低阶表面波的场分布在数值上证实了这一独特特征。平行平板波导中耦合表面波的这种奇特特征与其他类型的耦合TM?TE表面波有着根本的不同，如手性表面波、Dyakonov表面波、鬼表面极化子、双曲剪切极化子等，它们的场分量通常是非零的。[0065] 基于以上耦合表面波的基本知识，我们利用COMSOLMultiphysics有限元软件数值模拟了Janus偶极子超越锁定的近场耦合现象。为了避免出现高阶TM?TE表面波和导波模式的混合，能实现耦合面和非耦合面翻转的频率(工作频率)低于平行平板波导中TM1和TE1导波模式的截止频率。这样，就只存在最低阶的耦合TM?TE表面波和基模TM0。为了进一步消除基模的激励，选择负介电常数的材料(例如材料a)填充两个外耦合器之间的区域。另一方面，我们采用一个半径非常小的正介电常数的介质球(例如材料b)作为围绕Janus偶极子的环境，以使耦合面翻转。另外，将波导中两个界面之间的距离设置为2y0＝λ0/2，这样既可以有效激发耦合表面波，也能避免两个外耦合器所支持的表面波相互耦合，其中λ0为光在自由空间中的工作波长。[0066] 从图11中可以看出，当旋转角θ＝0°时，Janus偶极子的耦合面向上(向 方向)；而图12中，当旋转角θ＝90°时，耦合面向下(向 方向)。相比之下，图13和图14显示，如果外耦合器仅仅支持线极化TM表面波，则在任意旋转角度下，耦合面方向保持不变。[0067] 最后，我们研究了Janus偶极子的耦合强度与旋转角的定量关系。具体而言,我们给出了 函数随旋转角度的变化，作为旋转角度的函数，它定量表征了耦合强度，其中 和 分别是在界面y＝y0和y＝?y0处的电位移。在耦合表面波的激励下，当γ+,hybrid→1时，Janus偶极子的耦合面向上(如图15中θ→0°的情况)。当γ+,hybrid→0时，则Janus偶极子的耦合面向下(如图15中θ→90°的情况)。实际上，当旋转角θ从0°变化到90°时，γ+,hybrid(γ?,hybrid)的值将从0.93(0.07)变化到0.12(0.88)，这表明存在耦合面与非耦合面之间的翻转。相反，从图15中可以看出，在线极化TM表面波的激励下，γ+,TM＝0.94和γ?,TM＝0.06对旋转角度的变化不敏感。[0068] 综上所述，我们揭示了一种利用平行平板波导中不同填充材料之间的光学界面支持的耦合TM?TE表面波来实现超越偏振锁定的Janus偶极子近场定向的方案。我们发现，只要在平行于光学界面的平面上旋转Janus偶极子，就可以翻转Janus偶极子的耦合面和非耦合面，而不需要改变激发表面波的极化状态。从本质上讲，这种操纵近场耦合的方案是通过耦合表面波提取源携带的TM和TE倏逝波的能力实现的。展望未来，各种复杂偶极源(如手性、圆形、惠更斯和Janus偶极)和耦合表面波(如高阶TM?TE耦合表面波、手性表面波、Dyakonov表面波、鬼表面极化子和双曲剪切极化子)之间的相互作用需要继续探索，因为它可能进一步丰富偶极子?物质相互作用的物理特性，并促进新型片上光源的发展。[0069] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。[0070] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

专利地区：浙江

专利申请日期：2023-12-08

专利公开日期：2024-11-29

专利公告号：CN117518533B