CN105759465B - 一种动态可调谐的宽带偏振转换器 - Google Patents

Abstract

本发明属于电磁波和新型人工电磁材料领域，具体涉及一种动态可调谐的宽带偏振转换器。一种动态可调谐的宽带偏振转换器，包括介质层和新型人工电磁材料层，新型人工电磁材料层位于介质层的表面，其中新型人工电磁材料为周期性排列的方形对角线开口环，新型人工电磁材料为亚波长结构；所述的动态可调谐基于相干控制原理，由两束相干波完成，即信号波和控制波，两束波具有相同的振幅和波长，沿垂直于新型人工电磁材料的方向相向传播，通过改变信号波与控制波之间的相位差。本发明同时具有便携、重量轻、易集成等优点，较传统的偏振转换材料，本发明为单层，厚度小、重量轻且易于共形。

Description

一种动态可调谐的宽带偏振转换器

技术领域

本发明属于电磁波和新型人工电磁材料领域，具体涉及一种动态可调谐的宽带偏振转换器。

背景技术

新型人工电磁材料的出现，丰富了电磁领域的研究内容，也为实现多种新型微波器件、微纳器件提供了机遇。新型人工电磁材料是利用自然界的常规材料人工设计的复合媒质，其结构单元的尺度在亚波长量级，可以实现天然材料所没有的电磁特性，如负折射、完美透镜、隐身斗篷等。新型人工电磁材料极大地丰富了电磁领域的研究内容，实现多种功能性器件，如偏振器、完美透镜、滤波器和调制器等。2013年英国南安普顿大学的NikolayZheludev等人在《光学设备、系统及方法》(专利号WO2013144559)的专利中提出了对亚波长厚度的金属超材料进行相干控制。通过调节这两束相干光之间的相位差或强度，可以完全或大部分地消除光能量在超材料内的焦耳损耗，也可以对光能量进行完全吸收。2014年哈尔滨工程大学的史金辉、聂光宇等人在《一种基于相干控制的动态可调谐吸收器》(专利号CN104021817A)的专利中指出，通过新型人工电磁材料与驻波的相互作用，可以实现相干可控的、选择性吸收，3个频带的吸收率均可在0-1之间变化。超材料的相干控制机理可以实现多种功能器件，如光学逻辑器件、光学开关等。

新型人工电磁材料的偏振转换和可调谐特性的研究吸引了众多科研工作者的广泛关注，不仅是因为它们在电磁学领域的学术意义，而且由于其具有重要的研究价值和应用前景，例如偏振转换器件和偏振开关的设计。然而国内外利用相干控制机理实现的新型人工电磁材料偏振功能器件，都是窄带的且结构复杂，目前尚缺少有效的相干可控的宽带偏振方案。因此，偏振转换器件的频带扩展以及可调谐性仍是一个亟待解决的热点问题。通常，频带的拓宽是通过多层的结构堆叠获取的，但这种结构的体积往往比较大，不利于器件的小型化发展。一种有效的解决途径就是利用多重谐振响应相结合的方式。其次，利用光进行信息传输和数据处理是解决利用电子进行数据传输和处理的损耗和转换问题的切实可行的新方法，而发展相干控制技术则是实现光信息传输技术的重要途径，就目前研究情况来看，利用超材料与相干光之间的相互作用实现相干控制已经得到了实验的验证，超材料结构简单、经济，在未来信息通信中将发挥很重要的作用。基于上述设计原理，设计了一种基于相干控制的动态可调宽频带偏振转换器。动态可调宽频带偏振转换器不仅拓宽了偏振转换的频带范围，而且每个频率点的偏振转换系数都可以通过相干控制进行调节，从而在宽频带范围内实现了线偏振波的正交偏振转换的动态调节功能。利用相干特性的可调谐偏振转换器相比于传统结构，制作简单、操作方便、成本大幅降低，能够在宽频带范围内实现线偏振光的正交偏振转换与特定频率下偏振转换率的动态控制，具有很大的潜在应用价值。

发明内容

本发明的目的是利用新型人工电磁材料的谐振特性，提供一种动态可调谐的宽带偏振转换器。

本发明的目的是这样实现的：

一种动态可调谐的宽带偏振转换器，包括介质层和新型人工电磁材料层，新型人工电磁材料层位于介质层的表面，其中新型人工电磁材料为周期性排列的方形对角线开口环，新型人工电磁材料为亚波长结构；所述的动态可调谐基于相干控制原理，由两束相干波完成，即信号波和控制波，两束波具有相同的振幅和波长，沿垂直于新型人工电磁材料的方向相向传播，通过改变信号波与控制波之间的相位差。

所述新型人工电磁材料层刻蚀在基底表面，为周期结构，周期为毫米量级。

所述新型人工电磁材料层的结构单元相同。

所述的新型人工电磁材料的基本结构单元是斜对称性的，每层新型人工电磁材料的基本结构单元是一个方形对角线开口环。

所述的新型人工电磁材料的基本结构单元厚度为微米或者百纳米量级，单元结构为金或铜。

所述的新型人工电磁材料的基底材料为PCB材料、半导体材料或玻璃，厚度为毫米或者百微米量级。

所述信号波和控制波具有相同的波长与振幅，相向传播，入射到新型人工电磁材料的两侧。

本发明的有益效果在于：

与现在技术相比，本发明的优势：

本发明制作简单，加工方便。利用成熟的PCB加工技术或者微纳加工技术可以完成对本发明的加工。传统的具有偏振转换功能和可调谐功能的材料结构复杂、体积较大，并且价格昂贵。本发明具有宽频带线性正交偏振转换特性，此结构可以实现宽频带范围内线偏振波的正交偏振转换功能，且对X偏振、Y偏振、透射和反射同时有效。本发明操作简单，通过调节控制波的相位，就能够调节偏振转换器的偏振转换率，实现对宽频带范围内的线偏振电磁波的动态调谐。本发明同时具有便携、重量轻、易集成等优点，较传统的偏振转换材料，本发明为单层，厚度小、重量轻且易于共形。

附图说明

图1是动态可调谐的宽带偏振转换器基本结构单元的示意图。

图2是动态可调谐的宽带偏振转换器的基本结构单元的前视图。

图3是动态可调谐的宽带偏振转换器的工作原理图。

图4是动态可调谐的宽带偏振转换器工作时，控制波与信号波的相位差为0度(虚线线)和180度(点划线)时的仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

一种动态可调谐的宽带偏振转换器，属于电磁波和新型人工电磁材料领域。本发明公开了一种动态可调谐的宽带偏振转换器，其特征在于采用单层的新型人工电磁材料，在宽频带范围内实现了对电磁波的偏振转换调节。所述的动态可调谐的宽带偏振转换器包括介质层和新型人工电磁材料层，新型人工电磁材料层位于介质层的表面，其中新型人工电磁材料为周期性排列的方形对角线开口环结构，新型人工电磁材料为亚波长结构。所述动态可调偏振转换器由两束相干波实现，即信号波和控制波，两束波具有相同的振幅和波长，沿垂直于新型人工电磁材料表面的方向相向传播，通过调节信号波与控制波之间的相位差，能够在宽频带范围内实现线偏振波的正交偏振转换的动态调节功能，且对X偏振、Y偏振、透射和反射同时有效。本发明所述的基于相干控制的动态可调宽频带偏振转换器适用频带范围宽，结构及制作工艺简单、成本低，在微波器件、晶体光学、集成光学等领域有很大的应用前景。

图中：1.基底，2.方形对角线开口环，3.信号波，4.控制波。

这种线偏振电磁波偏振转换器可以实现较宽频带范围内的正交偏振可调谐转换，且效果良好。基于相干控制的动态可调谐宽带偏振转换器由新型人工电磁材料单元结构组成，具有加工简单、成本低、厚度薄、重量轻等特点，易于和被隐身的物体共形，因此具有很高的实用价值。

(2)技术方案：

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种动态可调谐的宽带偏振转换器，它由一个单层的人工电磁结构组成。一束信号波以一定波长垂直入射到新型人工电磁材料上，另一束与信号波互为相干波的控制波，以同样的振幅和波长相向传播，通过改变控制波的相位和新型人工电磁材料的结构、尺寸参数和材料属性，可以实现对宽频带范围内信号波的偏振转换系数的动态调谐。

动态可调谐的宽带偏振转换器包括基底和单层新型人工电磁材料，单层新型人工电磁材料位于基底层表面，基底层作为单层人工电磁材料的基底来支撑单层新型人工电磁材料；单层的新型人工电磁材料由周期性排列的新型人工电磁材料基本单元构成，基本单元为斜对称结构。每一个结构单元是一个方形对角线开口环结构，方形对角线开口环周期性刻蚀在基底表面,并沿X和Y方向进行周期延拓。所述的新型人工电磁材料的金属线的材料为铜。所述的新型人工电磁材料的基底通常采用PCB材料，厚度为毫米或者百微米量级。

该新型人工电磁材料不仅可以实现宽频带范围的线性正交偏振转换，而且还可以实现对线偏振电磁波的正交偏振转换率的动态调谐。在信号波的传播方向上测量通过新型人工电磁材料的信号波，获取新型人工电磁材料的正交偏振转换率。在没有新型人工电磁材料的情况下，相向传播的信号波和控制波形成驻波。一个信号源提供一定的波长信号波，垂直地向新型人工电磁材料传播，另一个控制源提供控制波，此波与信号波互为相干波，其振幅和波长均与信号波相同。若将新型人工电磁材料放置在驻波的节点或波腹位置，即信号波和控制波的相位相差为0度和180度。通过调节控制波的相位，来设置信号波与控制波两束电磁波之间的相位差，相当于新型人工电磁材料的空间位置能够在信号波和控制波形成的驻波的节点和波腹之间的进行变换，实现不同频率信号波偏振转换率的动态调谐，可以达到宽频带范围内正交偏振转换动态调谐的效果。

该动态可调宽频带偏振转换器结构简单、厚度薄、重量轻、易于共形、制造方便，可以对较宽频带范围内的线偏振电磁波的正交偏振转换动态调谐，在光学集成、光学隐身等领域具有重要的应用前景。

实施例1：

本实施例由图1所示的方形对角线开口环2和基底1组成，单层方形对角线开口环周期性地排列在基底表面，基底厚度为1.6毫米，材料是PCB，其介电常数ε＝4.05-0.05i，每个新型人工电磁材料单元的尺寸为15毫米×15毫米。如图2所示，图1所示的结构是基底表面的方形对角线开口环，并沿X和Y方向周期性延拓，形成方形对角线开口环阵列，每一个方形对角线开口环均是由一个方形开口环结构和一个倾斜金属线结构构成，金属线的材料是铜，金属层厚度t_m＝0.017mm，其他几何尺寸的基本信息a＝15mm，l₁＝13mm，l₂＝1mm,d＝10.5mm,对角线的倾斜角度为45°，方形对角线开口环周期性地刻蚀在基底表面。

下面再结合附图3进一步说明实施方案，首先为相干控制的动态可调宽频带偏振转换器设置一个XYZ坐标轴作为工作平台，Z轴垂直于动态可调谐吸收器的表面。两束波为信号波3和控制波4，分别由信号源和控制源发射。信号波和控制波为相干波，具有相同的波长和振幅，首先将信号波和控制波的电场极化方向均设为X方向，频率范围设定为1-16GHz，并沿Z轴方向相向通过新型人工电磁材料，与方形对角线开口环结构相互作用，Y方向线偏振电磁波反射和透射方向正交偏振转换率R_yx和T_yx受控制波的相位的动态调控。然后，将信号波和控制波的电场极化方向均设为Y方向，频率范围仍设定为1-16GHz，并沿Z轴方向相向通过新型人工电磁材料，与方形对角线开口环结构相互作用，Y方向线偏振电磁波反射和透射方向正交偏振转换率R_xy和T_xy受控制波的相位的动态调控。从而达到对宽频带正交偏振转换的动态调控。下面对Y方向线偏振电磁波的透射偏振转换率进行详细的分析。

在只有一束光照射新型人工电磁材料的表面时，其透射光的偏振转换率如图4中实线所示，其偏振转换率在0.25左右。在未放置新型人工电磁材料的情况下，控制波和信号波相干涉形成驻波。当将新型人工电磁材料放在波腹或节点位置时，即信号波和控制波的相位相差为0度和180度，新型人工电磁材料单元会强烈地影响信号波的正交偏振转换率。调节控制波的相位，使两束波产生不同的相位差，实验结果显示，当相位差为0度时，如图4虚线所示，其正交偏振转换率为单束光时的两倍；当相位差为180度时，如图4点划线所示，其偏振转换率几乎为0。由此可见，通过调节控制波与信号波之间的相位差，不仅可以在较宽的频带范围内实现线偏振光的正交偏振转换，还可以对线偏振光的偏振转换率进行动态调控。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。凡是根据上述描述做出各种可能的等同替换或改变，均被认为属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种动态可调谐的宽带偏振转换器，其特征在于：包括介质层和新型人工电磁材料层，新型人工电磁材料层位于介质层的表面，其中新型人工电磁材料为周期性排列的方形对角线开口环，新型人工电磁材料为亚波长结构；所述的动态可调谐基于相干控制原理，由两束相干波完成，即信号波和控制波，两束波具有相同的振幅和波长，沿垂直于新型人工电磁材料的方向相向传播，通过改变信号波与控制波之间的相位差能够在宽频带范围内实现线偏振波的正交偏振转换的动态调节功能，且对X偏振、Y偏振、透射和反射同时有效。

2.根据权利要求1所述的一种动态可调谐的宽带偏振转换器，其特征在于：所述新型人工电磁材料层刻蚀在基底表面，为周期结构，周期为毫米量级。

3.根据权利要求1所述的一种动态可调谐的宽带偏振转换器，其特征在于：所述新型人工电磁材料层的结构单元相同。

4.根据权利要求1或3所述的一种动态可调谐的宽带偏振转换器，其特征在于：所述的新型人工电磁材料的基本结构单元是斜对称性的，新型人工电磁材料的基本结构单元是一个方形对角线开口环。

5.根据权利要求4所述的一种动态可调谐的宽带偏振转换器，其特征在于：所述的新型人工电磁材料的基本结构单元厚度为微米或者百纳米量级，单元结构为金或铜。

6.根据权利要求1所述的一种动态可调谐的宽带偏振转换器，其特征在于：所述的新型人工电磁材料的基底材料为PCB材料、半导体材料或玻璃，厚度为毫米或者百微米量级。

7.根据权利要求1所述的一种动态可调谐的宽带偏振转换器，其特征在于：所述信号波和控制波具有相同的波长与振幅，相向传播，入射到新型人工电磁材料的两侧。