CN105048100B - 2-比特太赫兹各向异性电磁编码超材料及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种2‑比特太赫兹各向异性电磁编码超材料及应用，其中，各向异性电磁编码超材料包括各向同性单元结构和各向异性单元结构，所述各向同性单元结构和各向异性单元结构按照预定的规则纵横分布，使其在x极化和y极化时对电磁波具有不同的相位响应；所述各向同性单元结构在x极化和y极化的垂直入射电磁波的照射下呈现相同的反射相位，所述各向异性单元结构在x极化和y极化的垂直入射电磁波的照射下呈现不同的反射相位。本发明具有更大的设计灵活度，具体表现在本发明能够在更改入射波极化方向时对电磁波具有不同的调控功能。

Description

2-比特太赫兹各向异性电磁编码超材料及应用

技术领域

本发明属于新型人工电磁材料领域，尤其是一种2-比特太赫兹各向异性电磁编码超材料及应用。

背景技术

与普通的自然界材料相比，新型人工电磁材料作为多功能材料，显示出更加优越的性能。以往在对新型人工电磁材料分析与研究时，通常采用连续的、宏观均匀或非均匀等效媒质参数来描述。类比于模拟电路，可将其称为“模拟电磁超材料”。

2011年Capasso等人提出了广义斯涅尔定律，从理论上解释了当在超材料表面引入在不连续相位时，会对电磁波产生反常反射和反常折射现象，随后根据广义斯涅尔定律，其他小组又通过在二维超表面上设计更加复杂的相位分布，从而达到任意控制反射波和折射波的目的，如涡旋波束和贝塞尔波束等；甚至可以设计随机的相位分布，使得入射波束被随机散射到各个方向，形成漫反射，从而有效降低目标的雷达散射截面积，实现隐身。

以上提到的超材料的单元设计都是对各向同性的，即设计好的超材料的功能就是固定并且唯一的，不能随极化而改变。

发明内容

发明目的：本发明的目的之一是提供一种2-比特太赫兹各向异性电磁编码超材料，以解决现有技术存在的上述问题。

技术方案：一种2-比特太赫兹各向异性电磁编码超材料，包括各向同性单元结构和各向异性单元结构，所述各向同性单元结构和各向异性单元结构按照预定的规则纵横分布，使其在x极化和y极化时对电磁波具有不同的相位响应；所述各向同性单元结构在x极化和y极化的垂直入射电磁波的照射下呈现相同的反射相位，所述各向异性单元结构在x极化和y极化的垂直入射电磁波的照射下呈现不同的反射相位。

所述各向同性单元结构包括四种结构，其在x极化和y极化的垂直入射电磁波的照射下呈现的反射相位分别为0度/0度、90度/90度、180度/180度和270度/270度。

所述各向异性单元结构包括12种结构，其在x极化和y极化的垂直入射电磁波的照射下呈现的反射相位分别为0度、90度、180度和270度中任意两种反射相位的组合。

在x极化入射时和/或在y极化入射时，相邻的编码单元之间具有预定的梯度相位差，该梯度相位差优选为90度。

所述各向同性单元结构为方形金属片；所述各向异性单元结构为哑铃型金属片，其具有一长方形本体，该长方体的四角各延伸出一个直角三角形，该三角形的一条边与长方体本体的一边重合，邻边与长方体本体的另一边在同一直线上。

上述2-比特太赫兹各向异性电磁编码超材料在全向波束扫描、波束聚焦和缩减物体的雷达散射截面积中的应用。

一种2-比特太赫兹各向异性电磁编码超材料，包括若干个按照预定规则纵横排列的超级子单元，每个单元包括N×N个各向同性单元结构，或者包括N×N个各向异性单元结构，N为正整数；所述各向同性单元结构在x极化和y极化的垂直入射电磁波的照射下呈现相同的反射相位，所述各向异性单元结构在x极化和y极化的垂直入射电磁波的照射下呈现不同的反射相位；所述各向异性电磁编码超材料在x极化和y极化时对电磁波具有不同的相位响应。所述N为1、2、3或4。

上述2-比特太赫兹各向异性电磁编码超材料在全向波束扫描、波束聚焦和缩减物体的雷达散射截面积中的应用。

有益效果：相比于只采用各向同性单元作为基本单元结构的编码超材料，本发明具有更大的设计灵活度，具体表现在本发明能够在更改入射波极化方向时对电磁波具有不同的调控功能；本发明摒弃了传统采用等效媒质参数对超材料进行分析与设计的方案，采用离散的数字编码形式来更加简洁和有效地分析和设计超材料。

附图说明

图1a至图1d分别为本发明各向同性单元结构的立体图、各向同性单元结构的俯视图、各向异性单元结构的立体图和各向异性单元结构的俯视图。

图2为本发明16种基本单元结构的俯视图，其中每行的结构在电场为x极化入射波照射时的反射相位一致，每列在电场为y极化入射波照射时的反射相位一致。

图3a为当编码矩阵为M₁时，垂直入射波电场极化方向沿x轴时的三维远场散射方向图，频率为1THz。

图3b为当编码矩阵为M₁时，垂直入射波电场极化方向沿y轴时的三维远场散射方向图，频率为1THz。

图3c为当编码矩阵为M₁时，垂直入射波电场极化方向沿x轴时在Y-Z平面内的二维远场散射方向图，频率为1THz。

图3d为当编码矩阵为M₁时，垂直入射波电场极化方向沿x轴时在Y-Z截面上的电场Ex分量分布图，频率为1THz；

图3e为当编码矩阵为M₁时，垂直入射波电场极化方向沿y轴时在X-Z截面上的电场Ey分量分布图，频率为1THz；

图3f为编码矩阵为M₁时的图案，总共有32*32个超级子单元，每个超级子单元的尺寸为2*2。

图4a为编码矩阵为M₂时，垂直入射波电场极化方向沿x轴时的三维远场散射方向图，频率为1THz；其中编码序列如下：垂直入射电磁波为x方向极化时，编码序列沿y方向为“00-01-10-11-00-01-10-11…”，垂直入射电磁波为y方向极化时为随机编码序列。

图4b为编码矩阵为M₂时，垂直入射波电场极化方向沿y轴时的三维远场散射方向图，频率为1THz；其中编码序列如下：垂直入射电磁波为x方向极化时，编码序列沿y方向为“00-01-10-11-00-01-10-11…”，垂直入射电磁波为y方向极化时为随机序列。

图4c为编码矩阵为M₂时的图案，总共有16*16个超级子单元，每个超级子单元的尺寸为3*3。

图5a为当编码矩阵为M₃时，垂直入射波电场极化方向与x轴和y轴夹角为45度时的三维远场散射方向图，频率为1THz。

图5b为当编码矩阵为M₃时，垂直入射波电场极化方向与x轴和y轴夹角为45度时，X-Z平面内的二维远场散射方向图，频率为1THz。

图5c为当编码矩阵为M₃时，垂直入射波电场极化方向与x轴和y轴夹角为45度时，X-Z平面内-45度到-15度圆极化波的轴比，频率为1THz。

图5d为当编码矩阵为M₃时，垂直入射波电场极化方向与x轴和y轴夹角为45度时，当频率从0.8THz到1.2THz时圆极化波束的偏折角(左侧Y轴)和相应的轴比(右侧Y轴)。

图5e为编码矩阵为M₃时的图案，总共有16*16个超级子单元，每个超级子单元的尺寸为3*3。

图6a为当编码矩阵为M₄时，垂直入射波电场极化方向沿x轴时的三维远场散射方向图，频率为1THz。

图6b为当编码矩阵为M₄时，垂直入射波电场极化方向沿y轴时的三维远场散射方向图，频率为1THz。

图6c为当编码矩阵为M₄时，垂直入射波电场极化方向沿x轴时，在Y-Z截面上的电场Ex分量分布图,频率为1THz。

图6d为当编码矩阵为M₄时，垂直入射波电场极化方向沿y轴时，在Y-Z截面上的电场Ey分量分布图,频率为1THz。

图6e为当编码矩阵为M₄时，垂直入射波电场极化方向沿x轴和y轴时，在Y-Z平面内的二维散射方向图，其中实线代表x极化，虚线代表y极化。

图6f为编码矩阵为M₄时的图案，总共有32*32个超级子单元，每个超级子单元的尺寸为2*2。

图7a为当编码矩阵为M₅时，垂直入射波电场极化方向沿x轴时的三维远场散射方向图，频率为1THz；

图7b为当编码矩阵为M₅时，垂直入射波电场极化方向沿y轴时的三维远场散射方向图，频率为1THz；

图7c为当编码矩阵为M₅时，垂直入射波电场极化方向沿x轴时，在Y-Z截面上的电场Ex分量分布图,频率为1THz。

图7d为当编码矩阵为M₅时，垂直入射波电场极化方向沿y轴时，在Y-Z截面上的电场Ey分量分布图,频率为1THz。

图7e为当编码矩阵为M₅时，垂直入射波电场极化方向沿x轴和y轴时，在Y-Z平面内的二维散射方向图，其中实线代表x极化，虚线代表y极化。

图7f为编码矩阵为M₅时的图案，总共有32*32个超级子单元，每个超级子单元的尺寸为2*2。

具体实施方式

如图1a至图1d所示，图1a和图1c分别展示了两种基本单元结构。图1a给出了各向同性单元结构的立体图。从图中可知，从下往上分别是厚度为t的金属基底、厚度为d的聚酰亚胺介质层和厚度为t的正方形金属方片。图1b给出了其俯视图，其中正方形金属片长为a，正方形介质层长为p。

图1c展示了各向异性单元结构的立体结构，其中从下往上分别是厚度为t的金属基底、厚度为d的聚酰亚胺介质层和厚度为t的正方形金属方片；图1d给出了其俯视图，正方形介质层长为p，哑铃状金属片的四个参数分别为h1、h2、w1和w2。

转到图2，通过调整以上两种结构的几何参数，每一个基本单元结构可以在x极化和y极化垂直入射电磁波的照射下独立地产生数字态响应“00”、“01”、“10”和“11”，对应反射相位为0度、90度、180度和270度，因此排列组合后便有16种不同的组合“00/01”、“00/10”、“00/11”、“01/00”、“01/10”、“01/11”、“10/00”、“10/01”、“10/11”、“11/00”、“11/01”和“11/10”，其中前者为x极化时的反射相位数字态，后者为y极化时的反射相位数字态。

图2展示了这16种结构的俯视图，其中，黑色部分代表金属，线框内的白色部分代表介质层。

这16个结构的几何参数见表1，由于图2中右上三角区域的每一个单元结构可以通过将左下三角区域的单元旋转90度而获得，因此表1中只需给出4个各向同性结构和6个各向异性结构的几何参数。每行的结构在电场为Y极化入射波时的反射相位一致，每列的结构在电场为X极化入射波时的反射相位一致。

表1本发明的2-比特各向异性电磁编码超材料的16种基本单元结构的几何参数，下划线之前的字母代表几何参数名，下划线之前的字母代表数字态。

结合图3a至图3f描述实施案例1

为了展示2-比特各向异性电磁编码超材料的功能，第一个示例，我们采用在x极化和y极化时相位分布都呈现梯度分布的情况，即“00-01-10-11-00-01-10-11…”，对应一个二维矩阵：

即电磁波沿x极化入射时，沿y方向的等效序列为‘00-01-10-11-00-01-10-11…’，垂直波束会被反常偏折到y-z平面内的某个角度；当y极化入射时，沿x方向等效序列为‘00-01-10-11-00-01-10-11…’，垂直波束会被反常偏折到x-z平面内的某个角度。

引入超级子单元的概念:其由N*N个相同的基本单元结构组成，即由N×N个各项同性单元结构或由N×N个各向异性单元结构组成，N为正整数1、2、3……。由于相邻不同结构单元之间电磁耦合未在设计单元结构时考虑，因此会在实际编码后的超材料中带来不可预期的相位响应，造成性能的恶化，而引入超级子单元可以有效地降低这一影响。如图3f所示，整个材料由32*32个超级子单元构成，每个超级子单元由2*2个相同基本单元构成。

图3a和图3b分别展示了编码为M₁的超材料在x极化和y极化垂直电磁波时的三维远场方向图，可以清楚地看到x极化垂直入射的波束被偏转到Y-Z平面内与z轴夹角为48度角(θ＝48°)的方向上(如图3c所示)，y极化垂直入射的波束被偏转到X-Z平面内与z轴夹角为48度角(θ＝48°)的方向上。

此结果与广义斯涅耳定律公式θ＝arcsin(λ/Γ)计算的结果一致，其中λ代表自由空间波长，Γ代表一个梯度周期的长度。图3d和图3e分别展示了相应的x极化和y极化垂直入射电磁波照射时的Y-Z平面和X-Z平面的电场分布图。从中可以清晰地看到：电磁场向着一个方向传播，其中的电场的微小的扰动是由于之前提到的不同结构单元之间的耦合造成的。

结合图4a至图4c描述实施案例2

第二个示例所采用的数字编码M₂如下，当垂直入射电磁波极化方向沿x轴时，相应的编码序列为‘00-01-10-11-00-01-10-11…’；当垂直入射电磁波极化方向沿y轴时，为随机编码。整个材料由16*16个超级子单元构成，超级子单元的大小为3*3。当入射场为x极化波时，根据广义斯涅耳定律公式可计算出其反常波束偏折角为30度，与图4a所示的三维远场散射方向图结果完全吻合。当入射场为y极化波时，入射波束会被随机地散射到整个上半空间(z>0)，如图4b所示，有效地降低了金属板的背向散射，可用于缩减物体的雷达散射截面。

结合图5a至图5e描述实施案例3

第三个示例所采用的数字编码M₃为：

这样设计保证了每个单元在x极化和y极化入射波照射时具有90度的相位差，同时相邻的单元又具有90度梯度相位差，因此当电场极化方向与x轴和y轴夹角45度时，垂直入射的线极化波束会被转换为圆极化波并且偏折到X-Z平面内与z轴夹角30度的方向上，如图5a所示。从图5b的二维散射方向图可以看出所设计的反射式圆极化转换器在非偏折角度方向上的散度幅度非常小，因此所转换的圆极化波具有高定向性和低背景噪声的特点。

图5c给出了此圆极化转换器在1THz时，X-Z平面内从-15度到-45度方向上的轴比，可看出在30度方向上时，轴比仅为1.03，证明此时基本为理想的圆极化波。在-15度到-35度的范围内，轴比小于1.15。虽然本设计最初设计的工作频率为1THz，但其仍可在一定的带宽内工作，如图5d所示，当频率从0.8THz增长到1.2THz时，波束偏折角度从38度降低到24.5度，轴比保持在1.26以下，其中不同频率的轴比数值均在波束最大辐射方向上读取。

结合图6a至图6f描述实施案例4

第四个示例所采用的数字编码M₄为：

即x极化入射时，沿y方向的等效为序列‘00-01-10-11-00-01-10-11…’，垂直波束会被反常偏折到y-z平面内的某个角度；当y极化入射时，沿y方向等效为序列‘01-00-11-10-01-00-11-10…’，垂直波束会被反常偏折到y-z平面内的另一个角度。整个材料由32*32个超级子单元构成，超级子单元的大小为2*2。图6a和6b给出了极化为x和y时的三维远场方向图，可以清晰的看出当极化方向为x时，垂直入射波束被偏折到Y-Z平面内与z轴夹角为48度角(θ＝48°)的方向上；当极化方向为y时，垂直入射波束被偏折到Y-Z平面内与z轴夹角为48度角(θ＝48°)的方向上。

图6c和6d给出了相应的x极化和y极化垂直入射电磁波照射时的Y-Z平面内的电场分布图。图6e给出了相应的x极化(实线曲线所示)和y极化(虚线曲线所示)垂直入射电磁波照射时的Y-Z平面内的二维散射方向图。

结合图7a至图7f描述实施案例5

第五个示例所采用的数字编码M₅为：

即x极化入射时，沿y方向的等效为序列‘01-00-11-10-01-00-11-10-01-00-11-10-01-00-11-10…’，垂直波束会被反常偏折到y-z平面内的某个角度；当y极化入射时，沿y方向等效为序列‘10-10-01-01-00-00-11-11-10-10-01-01-00-00-11-11-…’，垂直波束会被反常偏折到y-z平面内的另一个角度。整个材料由16*16个超级子单元构成，超级子单元的大小为2*2。图7a和7b给出了极化为x和y时的三维远场方向图，可以清晰的看出当极化方向为x时，垂直入射波束被偏折到Y-Z平面内与z轴夹角为48.5度角(θ＝48°)的方向上；当极化方向为y时，垂直入射波束被偏折到Y-Z平面内与z轴夹角为22度角(θ＝22°)的方向上。

图7c和7d给出了相应的x极化和y极化垂直入射电磁波照射时的Y-Z平面内的电场分布图。图7e给出了相应的x极化(实线曲线所示)和y极化(虚线曲线所示)垂直入射电磁波照射时的Y-Z平面内的二维散射方向图。第四和第五示例展示了所设计的2-比特电磁编码超材料可以通过改变极化方向，使反常偏折波束在某个二维平面内从-90度到+90度任意扫描。

通过上述实施例可知：通过赋予超材料不同的编码矩阵，使其在x极化和y极化的垂直入射电磁波的照射下独立地呈现出不同的功能，如反常反射、反常折射、涡旋波束和贝塞尔波束等。相比于只采用各向同性单元作为基本单元结构的编码超材料，由于在x极化和y极化时对电磁波具有不同的相位响应，因此当电场极化方向与x轴和y轴夹角为45度时，可实现反射式圆极化转换器和线极化转换器等功能。所实现的器件具有定向率高、转换效率高、低背景噪声和具有一定的带宽的特点。

接下来，将对本发明的转换效率进行评估。首先定义转换效率如下：将波束以倾斜角24度(与金属板法线的角度)入射到金属板上时的镜像反射角方向的反射强度记为P1，将波束垂直入射到编码后的超材料上时的偏折角方向上的反射强度记为P2，其比值定义为转换效率E＝P2/P1。由于图3c和图5b中的散射方向图已经对纯金属板反射时的强度P1做过归一化，因此从这两个图中便可读出编码为M1和M3的超材料的转换效率为76％和66％，这样的高效率是无法利用传统单层透射式的梯度折射率超材料获得的。

本发明采用光刻工艺和lift-off(剥离)工艺制作，具体的工艺步骤如下：

首先通过电子束蒸发沉积200nm厚的金到2寸硅片上；

随后，将液态聚酰亚胺以旋转涂覆的方式均匀地覆盖在金层之上，然后在热板上以80度、120度、180度和250度加热各加热5分钟、5分钟、5分钟和20分钟，此时聚酰亚胺已固化在金层之上；

由于单次匀胶只能生成大约10微米厚的聚酰亚胺，此匀胶步骤需要重复3次以制作25微米厚聚酰亚胺层；

接着利用光刻工艺将具有所需编码图案的掩膜版的图案转移到光刻胶上；

随后再用电子束蒸发沉积一层10纳米的钛和200纳米的金；

之后用Liff-off(剥离)工艺在丙酮中生成最终的金属图案。

由于金和硅片表面的二氧化硅层的粘附性较差，整个样品可以从硅片表面直接撕下来，形成无基底的样品，具有超薄和柔性的特点，可与任何曲面物体共形，扩展了本发明的应用范围，可用作太赫兹系统中的波束偏折、波束分离、圆极化转换器和线极化转化器等功能器件，也可用于缩减目标的雷达散射截面等应用。未来通过制作电可调的各向异性电磁编码超表面单元结构，与FPGA等控制电路相结合，实现可编程的各向异性电磁编码超材料，这样可以实时调控其对入射电磁波的响应。本发明结构线条设计简单，仅具有单层金属图案，在微波频段采用印制电路板工艺即可制作；在太赫兹波段采用光刻工艺便可加工，易于量产。

总之，本发明设计的2-比特各向异性电磁编码超材料则通过设计人工电磁材料的有限个码元和其编码顺序实现预期的特殊功能。本发明的2-比特各向异性编码超材料包含了反射波幅度相同而相位依次相差90度的四个数字态“00”、“01”、“10”和“11”，由于所设计的基本单元结构需要在x极化和y极化垂直入射波的照射下呈现出独立的数字态响应，因此总共有16种基本单元结构。当垂直入射的电磁波的极化方向沿x轴和y轴时，通过设计相应的二维编码矩阵，这种各向异性编码超材料会表现出两种截然不同的功能，其中包括反常波束反射、反常波束分离、涡旋波束、贝塞尔波束和随机表面散射等。另外，当垂直入射的电磁波的极化方向与x轴和y轴夹角45度时，通过设计相应的编码矩阵，垂直入射的线极化波束会被转换为圆极化波并且偏折到一个特定的角度，形成低背景噪声的反射式圆极化转换器；同样，当改变数字编码矩阵，垂直入射的线极化波束也可会被转换为交叉线极化波并且偏折到一个特定的角度，形成低背景噪声的反射式线极化转换器。

需要说明，以上所述仅是本发明在太赫兹波段的优选实施方式，由于本设计具有单元结构设计简单并且单层金属图案的优点，同样的结构可以通过尺寸缩放而直接扩展到微波段、毫米波波段、红外以及可见光波段。应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种2-比特各向异性电磁编码超材料，其特征在于，包括各向同性单元结构和各向异性单元结构，所述各向同性单元结构和各向异性单元结构按照预定的规则纵横分布，使其在x极化和y极化的垂直入射电磁波的照射下对电磁波具有不同的相位响应；所述各向同性单元结构在x极化和y极化的垂直入射电磁波的照射下呈现相同的反射相位，所述各向异性单元结构在x极化和y极化的垂直入射电磁波的照射下呈现不同的反射相位；

所述各向同性单元结构包括四种结构，其在x极化和y极化的垂直入射电磁波的照射下呈现的反射相位分别为0度/0度、90度/90度、180度/180度和270度/270度；

所述各向异性单元结构包括12种结构，其在x极化和y极化的垂直入射电磁波的照射下呈现的反射相位分别为0度、90度、180度和270度中任意两种反射相位的组合；

其中，反射相位0度、90度、180度、270度分别对应于2-比特电磁编码00、01、10、11。

2.如权利要求1所述的2-比特各向异性电磁编码超材料，其特征在于，在x极化入射时和/或在y极化入射时，相邻的编码单元之间具有90度梯度相位差。

3.如权利要求2所述的2-比特各向异性电磁编码超材料，其特征在于，所述各向同性单元结构为方形金属片；所述各向异性单元结构为哑铃型金属片，其具有一长方形本体，该长方形本体的四角各延伸出一个直角三角形，该直角三角形的一条边与长方体本体的一边重合，邻边与长方体本体的另一边在同一直线上。

4.权利要求1至3任一项所述2-比特各向异性电磁编码超材料在全向波束扫描、波束聚焦和缩减物体的雷达散射截面积中的应用。

5.一种2-比特各向异性电磁编码超材料，其特征在于，包括若干个按照预定规则纵横排列的超级子单元，每个超级子单元由N×N个各向同性单元结构和由N×N个各向异性单元结构组成，N为正整数；所述各向同性单元结构在x极化和y极化的垂直入射电磁波的照射下呈现相同的反射相位，所述各向异性单元结构在x极化和y极化的垂直入射电磁波的照射下呈现不同的反射相位；所述各向异性电磁编码超材料在x极化和y极化的垂直入射电磁波的照射下对电磁波具有不同的相位响应；

其中，反射相位包括0度、90度、180度、270度，其分别对应于2-比特电磁编码00、01、10、11。

6.如权利要求5所述的2-比特各向异性电磁编码超材料，其特征在于，所述N为1、2、3或4。

7.权利要求5或6所述2-比特各向异性电磁编码超材料在全向波束扫描、波束聚焦和缩减物体的雷达散射截面积中的应用。