CN106058481B - 基于z型超表面的太赫兹反射式极化转换器 - Google Patents

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Abstract

基于Z型超表面的太赫兹反射式极化转换器，属于电磁波全矢量传输调控器件技术领域。本发明包括衬底介质基片和分别设置于衬底介质基片上下两个表面的顶层金属手征结构层、底部金属层，其特征在于，所述金属手征结构层设置有周期性正交排列的矩形谐振单元，每个谐振单元上设置有Z型金属谐振结构，所述Z型金属谐振结构由中心线和分别设置于中心线的两端且垂直于中心线的两个侧臂构成，两个侧臂分别设置于中心线的两侧并且与中心线形成电连接，中心线与矩形谐振单元的一个边的夹角为30°。本发明可以在超宽的频带内实现对反射波的极化偏转，不仅可以实现线极化波的90度极化偏转，同时可以实现线极化波到圆极化波的极化偏转。

Description

基于Z型超表面的太赫兹反射式极化转换器
技术领域
本发明属于电磁波全矢量传输调控器件技术领域，涉及的是反射式太赫兹线极化/左、右旋圆极化器。
背景技术
极化转换器在电磁波传播的应用中是一种非常重要的器件。传统的极化转换原理有很多，例如采用Faraday效应、双折射原理，但利用这些原理实现的极化转换设备都表现出一定的缺点：非常大的厚度及复杂的结构。
超材料(Metamaterial)是指其特征尺度远小于工作波长的一种人工材料，可以实现许多自然材料不能够实现的功能，例如负折射，隐身材料和超分辨成像等功能。目前的超材料要实现对电磁波的宏观调控，其结构本质上仍然为三维结构，这对加工、制作造成一定的难度，尤其在THz频段，其难度更为突出。另外，高损耗也限制了超材料的应用，因此，构造一种简单、体积小、厚度超薄(甚至为平面结构)等特性，同时又能对电磁波有效调控的超介质材料便成为广大科研工作者努力的方向。超表面(Metasurface)是一种二维平面超介质材料，具有超薄的特点，其自身厚度只有工作波长的十几分之一，甚至几十分之一，可以采用平板印刷术和纳米印刷术进行加工，同时它能够对电磁波进行有效调控，利用此特性可以实现小型化，高度集成化的极化转换器件。目前，在微波频段的基于超表面的极化转换器相继被提出，随着研究的深入，基于超表面的极化转换器在THz频段开始引起关注，由于THz极化转换器在THz波检测、感应以及传感等领域中有着重要的应用，这使得发展基于超表面的THz极化转换器更具应用前景。
美国Los Alamos国家实验室Houtong Chen博士的研究团队率先开展了这方面的研究工作，他们提出了短截线式极化转换器，对于反射型极化器，其线极化转换率大于80％的带宽为0.8THz—1.36THz。2014年法国Quentin Levesque等人设计了一款L型的线极化反射型极化器，介质基板采用厚度为300nm的SiO2，L型结构由厚度为50nm的金构造，底层金属反射板为厚度150nm的金。该极化器的一个显著特点就是实现宽角度入射，即在电磁波以45°宽角度入射时，在3.25um—4.25um频段，其极化转换率大于80％。2015年，Zuojun Zhang等人设计出一种椭圆型的结构，该极化器可在近红外波段实现极化旋转。目前国内外对超材料的研究还处于起步阶段，还有很多问题需要解决，比如工作带宽和效率的问题。
本发明提出的极化器可在太赫兹波段对电磁波实现调控，可在超宽的频带内高效地对反射波实现极化偏转。其工作原理是基于表面等离子体波电磁交叉耦合机理和上下层金属结构间的法布里-珀罗腔(Fabry Perot interferometer-FP)干涉效应，这种新型的反射式超材料极化器不仅具有极高的交叉极化转换效率，同时在满足F-P谐振条件下的介质基底厚度的电长度较大，有效降低了太赫兹频段到红外频段的超材料极化器件的加工难度和成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种工作带宽宽、极化转换效率高、结构简单、尺寸小、调控方便、易于加工的基于Z型超表面的反射式太赫兹极化转换器。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，基于Z型超表面的太赫兹反射式极化转换器，包括衬底介质基片和分别设置于衬底介质基片上下两个表面的顶层金属手征结构层、底部金属层，其特征在于，所述金属手征结构层设置有周期性正交排列的矩形谐振单元，每个谐振单元上设置有Z型金属谐振结构，所述Z型金属谐振结构由中心线和分别设置于中心线的两端且垂直于中心线的两个侧臂构成，两个侧臂分别设置于中心线的两侧并且与中心线形成电连接，中心线与矩形谐振单元的一个边的夹角为30°。
所述中心线为矩形，其长边与矩形谐振单元的一个边的夹角为30°，所述侧臂为矩形，侧臂与中心线同在一个平面，
第一个侧臂的一条长边与中心线的一个短边共在一条直线，第一个侧臂的一条短边与中心线的一个长边的部分重合，
第二个侧臂与第一个侧臂沿矩形中心线的中心形成中心对称。
前述正交排列是指各矩形谐振单元的边皆为垂直或平行于行线或列线，例如，每一行中，谐振单元的同侧底边同在一条直线，或者每一列中谐振单元的同侧侧边同在一条直线。
本发明提供的基于Z型超表面的反射式太赫兹极化转换器具有如下优点：
(1)本发明可以在超宽的频带内实现对反射波的极化偏转，不仅可以实现线极化波的90度极化偏转，同时可以实现线极化波到圆极化波的极化偏转。
(2)本发明的结构简单，体积小，集成度高，易于加工，可采用微纳制造技术加工制作。
(3)本发明可以在入射角度达到45度时，仍然可以在一个很宽的频带内实现对反射波的极化偏转，使其具有适应性。
(4)本发明可以在微波-太赫兹-光波频段内灵活调节工作范围，在太赫兹成像系统，隐身技术，高分辨雷达技术等方面有重要的应用价值。
附图说明：
图1为本发明的三维结构示意图；
图2为谐手征结构层的示意图；
图3为一个谐振单元的结构示意图；
图4为三个谐振点的矢量电流分布图，其中a为0.123THz，b为0.18THz，c为0.248THz。
图5为本发明的反射频谱仿真结果图(极化转换效率)。
图6为本发明的反射频谱仿真结果图(PCR)。
图7为本发明的反射频谱仿真结果图(极化偏转角度)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本发明包括信号输入端/反射输出端1、衬底介质基片5、顶层金属手征结构3、底部金属层4、信号透射输出端2；所述Z型金属结构相对中心轴(Z轴)的倾斜角度为30度。所述Z型金属结构的两个侧臂位于中心线两端且垂直于中心线，中心线金属结构长度为w，宽度为m。Z型金属结构的两个侧臂的长度为g，宽度为d，分别在平面电磁波信号垂直于信号输入端输入，依次经过Z型金属结构、中间的介质层、底部的金属层，电磁波经电磁交叉耦合后形成反射波，从信号输入端输出，完成电磁波信号的极化旋转。
所述的介质层材料可以采用陶瓷介质材料、晶体介质材料或半导体材料；所述金属谐振结构的线条材料可以为Au、Ag、Cu、Al或Ti/Pt/Au合金等金属材料。
极化旋转的物理机理如图4所示。
(a)在谐振频率为0.123THz时，垂直入射Y-极化的平面波时，所述Z型金属结构的电流方向和底层金属的电流方向反向，从而形成磁偶极子m1，该磁偶极子激发的磁场沿Y轴方向的分量和入射电场Ey的方向平行，从而引起极化旋转。
(b)在谐振频率为0.18THz时，垂直入射Y-极化的平面波时，所述Z型金属结构的两个侧臂上的电流方向与底层金属的电流方向反向，从而形成磁偶极子m2，该磁偶极子激发的磁场沿Y轴的方向的分量和入射电场Ey的方向平行，从而引起极化旋转。
(c)在谐振频率为0.248THz时，所述Z型金属结构以及底层金属结构上的电流形成电偶极子p1、p2、p3，三个电偶极子沿X轴方向的分量与入射电场Ey的方向垂直，从而引起极化旋转。发现上下层的金属结构之间形成具有干涉效应的F-P腔，通过调整介质层厚度可以调节上下层单元间的耦合效应。同样的对于谐振单元的结构参数进行调整，可以改变表面等离子体波的模式分布，实现对谐振频率、带外抑制、极化转换效率、非对称传输等特性的调整。通过理论计算和仿真模拟可以对极化器性能进行优化，可以设计出满足工程实际要求的太赫兹极化旋转器件。
实施例：
一种基于Z型超表面的反射式太赫兹极化转换器，如图1-3所示，包括顶层Z型金属结构，中间的介质基片和底部金属层；周期性谐振结构具有N×N个无间距排列的单元，且N≥20。所述的手征超表面由中心线和位于中心线两端且垂直于中心线的两个侧臂构成。所述Z型金属表面相对x轴的倾斜角度α为30度。
所述衬底介质基片材料采用晶向为001的单晶石英晶体，介电常数约为4.41，磁导率为1，损耗正切约为0.0004，厚度为t；所述金属谐振结构的线条材料采用电导率为3.8×107S/m，厚度为h的金属铝。
结构参数为:p＝550μm,t＝180μm,w＝410μm,d＝30μm,g＝90μm,m＝100μm.
图5-7为基于Z型超表面的太赫兹反射式极化器反射频谱仿真结果图。基于Z型超表面的太赫兹反射式极化器经三维高频电磁仿真软件HFSS模拟得到：
如图5所示，当垂直入射线极化波时，该极化器对反射波可实现90度的极化偏转，在0.116THZ0.260THz内，极化转换效率均大于80％，在频率为0.123,0.18,0.248THz三个谐振点的转换效率分别为0.898,0.945和0.899，在三个谐振点共极化转换效率几乎为0，图6为PCR(电磁波的极化转换率)，PCR在三个谐振点的值接近1。图7显示的是极化偏转角度φ，在频率为0.107THz和0.273THz时φ分别为+90°和-90°，表明可实现线极化波到圆极化波的极化偏转。加工方案拟采用微纳光刻加工技术；实验方案拟采用太赫兹时域光谱仪或太赫兹矢量网络分析仪对制备的太赫兹反射式极化器进行实测。考虑由于基底材料电参数、金属材料导电率、加工精度和测量设备精度等带来的测量误差，并结合测试结果对极化器模型进行进一步的工程优化有望进一步提高极化器的性能。
本发明中的基于Z型超表面的结构，可以根据工作频段的不同，采用不同加工工艺进行加工，比如PCB技术、离子刻蚀技术或光刻技术等。

Claims (3)

1.基于Z型超表面的太赫兹反射式极化转换器，包括衬底介质基片(5)和分别设置于衬底介质基片(5)上下两个表面的顶层金属手征结构层(3)、底部金属层(4)，其特征在于，所述金属手征结构层设置有周期性正交排列的矩形谐振单元，每个谐振单元上设置有Z型金属谐振结构，所述Z型金属谐振结构由中心线和分别设置于中心线的两端且垂直于中心线的两个侧臂构成，两个侧臂分别设置于中心线的两侧并且与中心线形成电连接，中心线与矩形谐振单元的一个边的夹角为30°。
2.如权利要求1所述的基于Z型超表面的太赫兹反射式极化转换器，其特征在于，所述中心线为矩形，其长边与矩形谐振单元的一个边的夹角为30°，所述侧臂为矩形，侧臂与中心线同在一个平面，
第一个侧臂的一条长边与中心线的一个短边共在一条直线，第一个侧臂的一条短边与中心线的一个长边的部分重合，
第二个侧臂与第一个侧臂沿矩形中心线的中心形成中心对称。
3.如权利要求1所述的基于Z型超表面的太赫兹反射式极化转换器，其特征在于，所述衬底介质基片材料采用晶向为001的单晶石英晶体，介电常数为4.41，磁导率为1，损耗正切为0.0004，厚度为百微米量级，矩形谐振单元的边长为百微米量级。
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