CN104810628B - 一种叶片型太赫兹波宽带线极化器 - Google Patents
一种叶片型太赫兹波宽带线极化器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种叶片型太赫兹波宽带线极化器，由单元结构周期性排列而成，每个单元结构有四层，从下到上依次为基底(4)、金属反射层(3)、介质层(2)和超表面(1)。本发明利用叶片型超表面来实现三个连续的高效极化转换频段，高于现有极化器的两个连续高效极化转换频段，从而提出了拓宽频带的方法，并且在宽带中均能实现高的极化转化效率，同时可以缩放该结构的尺寸实现频段在太赫兹的任意移动。本发明所阐述的叶片型太赫兹波宽带线极化器，适用于通信、传感、雷达等领域。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种叶片型太赫兹波宽带线极化器。具体的是，利用叶片型超表面的长边渐变的性质得到在宽频带内均具有高的极化转化率的太赫兹极化器。
背景技术
太赫兹技术在无损检测、安全、通信、感应方面有着快速的发展和应用。该应用不仅需要高有效的太赫兹源和高度敏感性的检测器，而且需要像调制解调器、棱镜、波板、转换器和极化转化器这样的元件。在操纵太赫兹波方面缺乏有效的设备限制了太赫兹技术的发展。传统的方法是通过双折射率材料(例如液晶和石英)来改变极化状态。然而在太赫兹波段，自然存在的材料的双折射指数Δn是非常的小，并且天然材料的双折射指数几乎没有频散，这就导致对电磁波极化状态的控制通常是单频点的且厚度较厚，大大限制了其应用。
人工超材料的出现时，使得光学和太赫兹器件得到迅速发展。超材料由于高的各向异性在操纵极化状态方面具有很好的作用。然而现在的许多超材料结构仍然存在很复杂的制作工艺、窄的极化转化频率、高的损耗的问题。Lei Zhou等人利用工字形结构了各向异性的线性极化器(Lei Zhou,et all.Manipulating Electromagnetic WavePolarizations by Anisotropic Metamaterials[J],PRL 99,063908(2007).)，该极化器可以将线极化波转化成其它形式的电磁波，但是只能在单个频点处能转化成圆极化波或者线极化波。Mingde Feng等人利用在一个方向上的高阻抗表面来设计极化器(Mingde Feng，et all.Broadband polarization rotator based on multi-order plasmon resonancesand high impedance surfaces[J],J.Appl.Phys.114,074508(2013).)，该极化器在三个频点处由于多级等离子体共振的作用，其极化转化率接近于1，但是在频点之间则几乎只有0.56的极化转化率。以及在“一种基于手性人工电磁结构的双频圆极化器”的专利(专利号为201210347152)中，提出了能够将线极化波转化成圆极化波，但是在不同的方向上均只有两个频点能够起到圆极化作用。但是在本发明中，我们设计的极化器可以在宽频范围内均可以实现近似于1的极化转化率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有的技术上的缺陷，提供一种叶片型太赫兹波宽带线极化器，从而解决了线极化器的极化转化波段窄、极化转化率不高的问题。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
本发明提供的叶片型太赫兹波宽带线极化器，其由单元结构周期性排列而成，每个单元结构有四层，从下到上依次为基底、金属反射层、介质层和超表面。
所述超表面由两个完全相同的叶片构成，叶片结构之间的距离完全相等，且该叶片与单元结构的边之间的夹角为45度，叶片的长轴尺寸为165k微米，短轴为57k微米，k的取值为0.1～1。
所述超表面由金、银等不容易氧化的金属中的一种制成，其厚度为0.05～0.5微米。
所述每个单元结构的横剖面为正方形，其边长为260k微米，k的取值为0.1～1。
所述介质层由容易匀胶的高分子材料制成，其厚度为48k微米，k的取值为0.1～1。
所述容易匀胶的高分子材料采用聚甲基丙烯酸甲酯、对苯二甲酸乙二酯中的一种。
所述金属反射层由具有高反射率且不容易氧化的金属制成，其厚度为0.5～2微米。
所述具有高反射率且不容易氧化的金属采用金、银中的一种。
所述基底由硅、氧化硅或石英材料制成，其厚度为100～1000微米。
本发明与现有技术相比，具有以下的主要的优点：
1.通过设计具有长边渐变性质的叶片形超表面，得到了具有三个连续的极化转化频段的线极化器，并且在极化转化频段内的极化转化率高。
2.当k取值为1时，该线极化器在0.55THz到1.05THz之间，同极化转化的幅值小于0.2，垂直极化转化的幅值大于0.8，极化转化率接近于1，且极化转化频段可以通过对k值的调控进行移动。
附图说明
图1是本发明的局部俯视图。
图2是本发明的单元结构立体示意图。
图3是本发明的单元结构俯视图。
图4是本发明的实施例1的极化转化幅值图。
图5是本发明的实施例2的极化转化幅值图。
图6是本发明的实施例3的极化转化幅值图。
图中：1.超表面；2.介质层；3.金属反射层；4.基底。
具体实施方式
本发明利用叶片型超表面长边渐变的性质来实现三个连续的高效极化转换频段，高于现有极化器的两个连续高效极化转换频段，从而提出了拓宽频带的方法，并且在宽带中均能实现高的极化转化效率，同时可以缩放该结构的尺寸实现频段在太赫兹的任意移动。本发明所阐述的叶片型太赫兹波宽带线极化器，适用于通信、传感、雷达等领域。
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。
本发明提供的一种叶片型太赫兹波宽带线极化器，其结构如图1至图3所示，由多个单元结构周期性排列而成，每个单元结构有四层，从下到上依次为基底4、金属反射层3、介质层2和超表面1。
所述超表面1由金、银等不容易氧化的金属中的一种制成，其厚度为0.05～0.5微米。如图3所示，该超表面1由两个完全相同的叶片构成，叶片结构之间的距离完全相等，且该叶片与单元结构的边之间的夹角为45度，叶片的长轴尺寸a为165k微米，短轴b为57k微米，单元结构的横剖面为正方形，边长p为260k微米，k的取值为0.1～1。
所述介质层2由PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PET(对苯二甲酸乙二酯)等容易匀胶的高分子材料中的一种制成，其厚度为48k微米。
所述金属反射层3由金、银等具有高反射率且不容易氧化的金属中的一种制成，其厚度为0.5～2微米。
所述基底4由硅、氧化硅或石英中的一种制成，其厚度为100～1000微米。
实施例1
本实施例所设置的基底的厚度为1微米，材料为硅，金属反射层为0.5微米，材料为银，介质层的厚度为48微米，材料为PMMA，其介电常数实部为3，虚部为0.03，上层超表面的厚度为0.05微米，材料为银。单元结构的尺寸p＝260微米，a＝165微米，b＝57微米，此时k的取值为1。通过数值模拟，得到该实施案例的同极化转化幅值(Rss)和垂直极化转化幅值(Rps)，如图4所示。
实施例2
本实施例所设置的基底的厚度为1000微米，材料为硅，金属反射层为0.5微米，材料为银，介质层的厚度为24微米，材料为PMMA，其介电常数实部为3，虚部为0.03，上层超表面的厚度为0.05微米，材料为银。单元结构的尺寸p＝130微米，a＝82.5微米，b＝28.5微米，此时k的取值为0.5。通过数值模拟，得到该实施案例的同极化转化幅值(Rss)和垂直极化转化幅值((Rps)，如图5所示。
实施例3
本实施例所设置的基底的厚度为1微米，材料为硅，金属反射层为0.5微米，材料为银，介质层的厚度为4.8微米，材料为PMMA，其介电常数实部为3，虚部为0.03，上层超表面的厚度为0.05微米，材料为银。单元结构的尺寸p＝26微米，a＝16.5微米，b＝5.7微米，此时k的取值为0.1。通过数值模拟，得到该实施案例的同极化转化幅值(Rss)和垂直极化转化幅值(Rps)，如图6所示。
Claims (6)
1.一种叶片型太赫兹波宽带线极化器，其特征是一种适用于通信、传感或雷达领域的叶片型太赫兹波宽带线极化器，该极化器由单元结构周期性排列而成，每个单元结构有四层，从下到上依次为基底（4）、金属反射层（3）、介质层（2）和超表面（1）；超表面（1）由两个完全相同的叶片构成，叶片结构之间的距离完全相等，且该叶片与单元结构的边之间的夹角为45度，叶片的长轴尺寸为165k微米，短轴为57k微米，k的取值为0.1~1；介质层（2）由聚甲基丙烯酸甲酯、对苯二甲酸乙二酯中的一种制成，其厚度为48 k微米。
2.根据权利要求1所述的叶片型太赫兹波宽带线极化器，其特征在于所述超表面（1）由不容易氧化的金属中的一种制成，其厚度为0.05~0.5微米。
3.根据权利要求1所述的叶片型太赫兹波宽带线极化器，其特征在于所述每个单元结构的横剖面为正方形，其边长为260 k微米。
4.根据权利要求1所述的叶片型太赫兹波宽带线极化器，其特征在于所述金属反射层（3）由具有高反射率且不容易氧化的金属制成，其厚度为0.5~2微米。
5.根据权利要求4所述的叶片型太赫兹波宽带线极化器，其特征在于所述具有高反射率且不容易氧化的金属采用金、银中的一种。
6.根据权利要求1所述的叶片型太赫兹波宽带线极化器，其特征在于所述基底（4）由硅、氧化硅或石英材料制成，其厚度为100~1000微米。
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