CN104538743A - 一种由电磁特异表面构成的宽频THz波片 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电磁波偏振调控技术领域，具体为一种由电磁特异表面构成的宽频THz波片。整块波片制作在硅片衬底上，由底部背散射金属层、介质层以及表面各向异性特异介质层构成。本发明是基于“特异介质”“电磁特异表面”制作的反射型超宽带太赫兹波片，其工作频率为0.45THz到1.15THz。对于频率范围内特定极化角度φ入射的平面线偏振电磁波，其反射波可以以超过95%的效率产生90度极化偏转，且整体能量损耗很小（低于10%）；此外，对于斜入射的不同θ角度（50°以下），其效果略有下降，但仍能在较宽频带范围内达到超高的极化偏转效率。用户可以根据自己的需要制作相应结构波片，另外，可以通过等比例放大缩放结构尺寸来改变波片工作频率。
Description
技术领域
本发明属于电磁波偏振调控技术领域，具体涉及反射型超宽带太赫兹波片。
背景技术
信息技术的发展，使得人类对于信息载体（电磁波）的调控有了越来越广泛的应用。而对于电磁波的很多新型应用，比如亚波长成像，负折射，全吸收，场增强，传统材料越来越难以达到要求。基于这种原因，科学家开始构建一种新型的人工复合结构和复合媒质，我们称之为“电磁特异介质”，其具有天然媒质所不具备的超常物理性质，且可以容易的通过人工调制。而本发明中运用到的正是这样的“电磁特异介质”。简单的说，常规材料是由其分子或原子构成的，而分子和原子对外界电磁波的响应决定了这个材料的电磁性质，而特异介质通过构造共振结构产生人工的电磁分子原子，以之构成材料的单元结构，由于人工共振结构单元的可控性，这样的材料便能依据需求设计出不同的性质。
“电磁特异表面”为一种常用的特异介质，一般通过层状特异结构堆叠构成。由于多层之间的相互作用，从而产生强烈的磁共振，通过调控参数可以使得在共振点附近产生强烈的相位变化或者吸收，在相位调控或者吸收中有很广泛的应用。
另一方面，人们知道传统意义上的波片一般由各向异性材料如双折射晶体构成，在不同偏振方向上的分量具有不同的折射率，从而可以通过结构的尺寸调控出射波中的不同偏振分量的相位变化，达到对总的出射电磁波的偏振调控。此外，由于传统的计划调控通过对介质内部传播相位的调控来实现，对于不同的频率，对于自然材料，很难做到折射率的差值和频率变化恰好匹配，因而一般来说，传统的波片一般为单频或者窄频。
对于由“特异介质”构成的材料，尤其是“电磁特异表面”，很容易能在很薄的空间尺度上通过共振产生强烈的相位变化，且对于不同的“晶向”上其调控几乎不相关。这样，通过各向异性的结构设计，控制不同“晶向”上的共振频率和品质因子，可以容易的实现在超宽频段内对于不同偏振方向的相位调控，达到超宽频的90度极化偏转或线偏振到圆偏振的转变。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在超宽频带范围内效率高、反射波能量损失很小的宽频THz波片。
本发明提供的宽频THz波片，采用“电磁特异表面”，具体结构组成由下到上依次为：衬底，金属层，介质层，表面为周期分布的十字型结构层，层与层之间直接堆叠；其中，十字型结构层中，组成十字形的两根主轴，其长度和宽度可以分别调控共振频率和品质因子；金属层作为作为结构层或者反射层，其厚度为30nm~100nm；介质层厚度大于金属层厚度，可用于降低共振品质因子，提高带宽。
本发明中，根据频率和带宽的设计要求，通过调控十字型结构的两根轴的长度和宽度以及介质层厚度，得到在带宽范围内最接近设计要求几何结构参数；假设波片为xy平面，平面电磁波从垂直于xy平面的z方向入射，那么调整几何结构参数的原则如下：
（1）确定十字型结构的周期和介质层厚度：对于1/2波片和1/4波片两种设计，取介质层厚度为50-70um，周期为140-160um；优选介质层厚度为60um，周期为150um；
（2）确定十字型结构的长度、宽度：设十字型结构的单根轴,长度方向与偏振方向平行，测试十字型结构不同长度、宽度参数下的反射共振频率与品质因子，对结果进行比较，找到在带宽范围内最接近设计要求相位差与反射率比例的一组参数；然后微调，消除相互间影响造成的偏差，找到在宽带范围内平均效率最优设计参数。对于1/2波片，其十字结构的两根主轴长度分别为130-150um和30-50um，宽度为20-40um，优选为135um和35um，宽度为25um；对于1/4波片，其十字结构的两根主轴长度分别为100-120um和50-70um，宽度为20-40um，优选110um和55um，宽度为30um。
本发明中，所述衬底采用硅片或二氧化硅片。
本发明中，所述金属层材料为金，也可为其他金属，如银，铜等。
本发明中，所述介质层材料为聚酰亚胺树脂薄膜。
本发明中，所述十字型结构层材料为金，也可为其他金属，如银，铜等。
本发明设计并制作的由“电磁特异表面”构成的宽带THz波片，根据不同的设计对0.45THz到1.15THz的线偏振电磁波入射，其反射波极化方向产生90度的偏转或者完全由线偏振电磁波转变为圆偏振电磁波,在超宽频带范围内效率超过95%。同时，在工作范围内反射波能量损失很小，一般不超过10%。此外，对于斜入射，在低于50度角度下，验证其效果略有下降，但仍能在较宽频带范围内达到超高的极化转变效率。此外，原则上根据标度变换理论，可以通过自然的缩放实现不同频率的设计。
本发明设计并制作的“电磁特异表面”是一种各向异性的反射系统，对于一束特定φ角度入射的线偏振电磁波，其两个分量上分别由不同共振进行调控，对于不同方向上的共振，其共振频率不同，共振品质因子经过计算优化，从而导致在超宽频带范围（一般为不同方向的共振点之间）内其相位差值在波片要求（180度或90度）附近震荡，从而在超宽频带范围内得到较高的极化转变率。通过不同的设计，改变相位差值的中心点，本系统可以实现线偏振到任意偏振模式的转变。
本发明通过确定的不同的实验参数制备样品，可用于对于线偏振电磁波进行不同的调控。
附图说明
图1为1/2波片单元结构图示。其中阴影部分为金属。
图2为1/4波片单元结构图示。其中阴影部分为金属。
图3为本发明宽频THz波片的工作示意图。
图4为1/2波片实验测量结果：不同频率以及入射角度下体系的PCR效率。
图5为1/4波片实验测量结果：不同频率以及入射角度下体系的PCR效率。
参数说明：PCR效率为特定入射波达到目标的极化转变的能量对于总出射能量的比值。对于1/2波片，定义为产生90°偏转的能量除以总的出射能量，100%的转换效率对应于1；对于1/4波片，定义为线偏振入射下出射的左右旋能量差值除以左右旋能量的和，100%的转换效率对应于±1，其中正负号分别代表左旋与右旋。
具体实施方式
对于超宽频THz波片，分两部分进行：制备过程，测量过程。
一、超宽频THz波片的制备：
按照数值模拟优化得到的关于整个体系的参数，运用微纳加工技术制备设计得到的样品。主要制备步骤包括：
（1）清洗硅片，通过电子束蒸镀在其上蒸镀50nm金。
（2）将蒸镀有金层的硅片切片为越1.2cm*1.2cm大小，在上方贴上一层胶带（聚酰亚胺树脂薄膜），厚度约60um，介质层节电参数约为ε=3.1+0.04i。
（3）4000rpm涂抹LOR(聚丁二酮肟)，180°下烘干约3min，在5000转每分的速度下涂抹光刻胶AZ5214，95°下烘干90s。
（4）采用UPG501制版机，在每一片样品上直写设计的结构，光刻时间为80ms，显影45s，烘干。
（5）电子束蒸镀在其上蒸镀50nm金。
（6）通过丙酮剥离表面金层，乙醇清洗；通过Remover PG试剂剥离LOR层，室温下约10min，异丙醇清洗。去离子水清洗，烘干。
二、超宽频THz波片的实验测量：
所谓的调控电磁波的偏振模式，首先确定了入射波的偏振模式，然后做出需要的调控。下面以THz实验为基础，阐述下设计样品的运用。
THz实验采用TDS系统，通过超快的ps激光器产生超快的激光脉冲，经过半反半透镜分束。其中一束激光通过光电导天线激发产生THz平面波源，而光电导天线的方向可以确定出射平面波的电场偏振方向，经过测试样品反射后，最终到达探测器；另一束激光通过光路直接激发探测器，并通过一个可移动的反射镜系统调节激光脉冲到达探测器的时间，从而使得探测器可以测量得到不同时刻的THz波信号。
一般来说天线激发的平面波为单一偏振模式的线偏振电磁波。在空间坐标系中，若电磁波沿z轴传播，那么电场只是沿着xy平面内的某个固定方向（系统中为x方向）做线性振荡。现在我们以样品十字的两根轴建立xy坐标，保证入射电磁波电场线偏振方向与x轴夹角为45度，测量反射波不同方向上的分量，组合得到反射波的偏振。
（1）对于1/2波片，反射波x方向和y方向的分量模量在带边有较大损耗，但在工作范围内，其反射率均超过90%，但是y方向相位与x方向相差约为180度，于是反射波偏振偏转90度。
（2）对于1/4波片，反射波x方向和y方向的分量模量在带边有较大损耗，但在工作范围内，其反射率均超过90%，但是y方向相位与x方向相差约为90度，于是反射波为圆偏振波。
最后需要说明的是：本发明的调控机理完全取决于各项异性单元结构，而与阵列的大小无关，用户完全可以根据各自的需求制作出其他样式的各向异性结构；另外，现在的工作频率在0.45THz到1.15THz，这个是由单元结构尺寸和介质层厚度决定的，如果用户需要对其他波段内电磁波进行调控，可以直接等比例同时放大或缩小所有尺寸参数，便可以达到同样的效果。
Claims (6)
1.一种由电磁特异表面构成的宽频THz波片，其特征在于采用“电磁特异表面”，具体结构组成由下到上依次为：衬底，金属层，介质层，周期分布的十字型结构层，层与层之间直接堆叠；其中，十字型结构层中，组成十字形的两根主轴，其长度和宽度可以分别调控共振频率和品质因子；金属层作为结构层或者反射层，其厚度为30nm~100nm；介质层厚度大于金属层厚度，用于降低共振品质因子，提高带宽。
2.根据权利要求1所述的由电磁特异表面构成的宽频THz波片，其特征在于根据频率和带宽的设计要求，通过调控十字型结构的两根轴的长度和宽度以及介质层厚度，得到在带宽范围内最接近设计要求几何结构参数；假设波片为xy平面，平面电磁波从垂直于xy平面的z方向入射，那么调整几何结构参数的原则如下：
（1）确定十字型结构的周期和介质层厚度：对于1/2波片和1/4波片两种设计，取介质层厚度为50-70um，周期为140-160um；
（2）确定十字型结构的长度、宽度：对于1/2波片，其十字结构的两根主轴长度分别为130-150um和30-50um，宽度为20-40um；对于1/4波片，其十字结构的两根主轴长度分别为100-120um和50-70um，宽度为20-40um。
3.根据权利要求1所述的由电磁特异表面构成的宽频THz波片，其特征在于所述衬底采用硅片或二氧化硅片。
4.根据权利要求1所述的由电磁特异表面构成的宽频THz波片，其特征在于所述金属层材料为金、银或铜。
5.根据权利要求1所述的由电磁特异表面构成的宽频THz波片，其特征在于所述介质层材料为聚酰亚胺树脂薄膜。
6.根据权利要求1所述的由电磁特异表面构成的宽频THz波片，其特征在于所述十字型结构层材料为金、银或铜。
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