CN106410422A - 一种应用于太赫兹波段的3‑比特透射式电磁编码超材料 - Google Patents

一种应用于太赫兹波段的3‑比特透射式电磁编码超材料 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种应用于太赫兹波段的3‑比特透射式电磁编码超材料。其基本单元结构由三层金属开口谐振环结构和四层聚酰亚胺介质层交替排列构成，通过优化设计开口谐振环结构的几何参数，可使得每个单元在y极化垂直入射电磁波照射时呈现出8个独立的折射相位，对应数字态“0”到“7”。按预先设计的数字编码在二维平面上排列这些数字单元，就形成了3‑比特透射式电磁编码超材料。在太赫兹频段，3‑比特透射式电磁编码超材料可以折射入射电磁波，实现异常折射。由于聚酰亚胺介质出色的机械和化学性能，本发明具有柔性、抗腐蚀、抗物理磨损的优点，在太赫兹成像以及通信方面有着广阔的应用前景。

Description

一种应用于太赫兹波段的3-比特透射式电磁编码超材料
技术领域
本发明涉及一种新型人工电磁材料，尤其涉及一种应用于太赫兹波段的具有异常折射和无衍射贝塞尔波束功能的透射式电磁编码超材料。
背景技术
在过去的20年里，超材料由于其超越自然的奇特电磁特性，逐渐巩固了其在前沿研究领域中独特的地位，吸引了物理界和工程界的广泛关注。超材料的介电常数和磁导率可以进行人为地构造，使得材料的获取不再受限于自然界。对电磁波的任意操控，传统方案通常是利用整块介质材料(传统透镜)或者依靠金属表面的形状(传统天线)来调控电磁场分布，但是此类方案都是依靠特定的几何形状或者透镜的等效折射率的所带来的空间相位累积实现的，因此具有较厚的厚度，不便于与其他设备集成。
2011年Capasso等人提出了广义斯涅尔定律，通过在二维表面上引入不连续相位，将原本需要空间累积的相位变成平面上的相位突变补偿，使得利用二维超表面操控电磁波的幅度和相位成为可能，利用此技术来制作各种透镜及天线，将极大地缩减其物理尺寸并减轻重量。由于每个结构单元可以实现对电磁波幅度和相位的任意控制，因此通过设计更加复杂的相位分布，可以实现诸如涡旋波束和贝塞尔波束等；如果设计随机的相位分布，则可实现对入射波的随机漫反射，能够有效地降低目标的雷达散射截面，实现隐身。
以上提到的超材料的单元设计一般都是微波频段的、体积较大、并且是非柔性的，难以与物体共型。本发明设计的应用于太赫兹波段的3-比特透射式电磁编码超材料则具有低剖面、高效率、柔性的优良特点，可调控太赫兹波实现异常折射和无衍射贝塞尔波束聚焦等功能。
发明内容
技术问题：本发明提供了一种应用于太赫兹波段的3-比特透射式电磁编码超材料，通过设计特定的数字编码序列并将其赋予材料中的每个基本单元，便可在y极化的垂直入射电磁波的照射下实现不同的功能，如异常折射和无衍射贝塞尔波束等。
技术方案：本发明的一种应用于太赫兹波段的3-比特透射式电磁编码超材料，由八种基本单元结构按照预先设计的数字编码序列在二维平面内排列而构成，其基本单元结构由三层金属开口谐振环和四层聚酰亚胺介质层交替叠合构成，其中，顶部和底部开口谐振环的开口中心在二维平面内坐标系内分别沿着x轴和y轴方向，中间层的开口谐振环的开口中心分别沿着45°或135°方向，通过调整开口谐振环的开口角度及开口方向，来实现八个不同的数字态。
所述的八种基本单元结构在y极化的垂直入射太赫兹波的照射下，其透射波的交叉极化分量能够覆盖360度相位范围，以45度相位差实现8个离散相位，分别对应于数字态“0”到“7”。
所述八个不同的数字态编码“0”、“1”、“2”、“3”、“4”、“5”、“6”、“7”所对应的单元几何参数分别为30°/45°、50°/45°、68°/45°、90°/45°、30°/135°、49.5°/135°、67.5°/135°和87°/135°，其中α为开口谐振环的开口角度，为开口谐振环的开口中心绕z轴的旋转角度。
优选的：所述聚酰亚胺介质层的厚度d1＝40μm，d2＝5μm，介电常数为3，损耗角正切为0.03；
优选的：基本单元结构的单元周期长度L为100μm。
优选的：8种基本单元结构的几何参数如下：
注：编码单元对应的透射相位是频率为0.79THz时的测试结果
有益效果：与现有技术相比，本发明的优势在于：
1.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便于简洁有效地分析和设计超材料。
2.本发明巧妙地利用一种金属开口谐振环与聚酰亚胺介质层交替排列的方式构成基本单元结构。相比于单层金属层的单元结构，突破了透射波交叉极化分量幅值的限制，实现了在太赫兹频段下的对透射波交叉极化分量的完美操控，即在高透射率的前提下，可实现360度的相位覆盖。
3.本发明可通过赋予超材料不同的编码矩阵，使其在y极化垂直入射电磁波的照射下独立地呈现出不同角度的异常折射，或者不同聚焦长度的无衍射贝塞尔波束
4.本发明结构设计简单，采用常规光刻工艺便可加工，易于量产。所制成的样品具有超薄超轻的特点，易于与现有系统集成；同时由于聚酰亚胺柔性的特点，也可覆盖在具体曲面形状的物体上，实现异常角度折射、无衍射贝塞尔波束和极化转化等。
附图说明
图1为本发明的3-比特透射式电磁编码超材料的功能示意图，其中y极化垂直入射波被转换为交叉极化并折射到异常角度；
图2为本发明的基本单元结构的透视图，其由三层金属开口谐振环和四层聚酰亚胺介质层交替排列构成，其中两层内部的聚酰亚胺介质层(隔离层)和两层外部的聚酰亚胺介质层(覆盖层)的厚度分别为d1＝40μm和d2＝5μm；
图3为本发明的基本单元结构的俯视图，单元结构的周期长度L＝100μm，八种数字态编码“0”、“1”、“2”、“3”、“4”、“5”、“6”、“7”所对应的单元几何参数分别为30°/45°、50°/45°、68°/45°、90°/45°、30°/135°、49.5°/135°、67.5°/135°和87°/135°，其中α为开口谐振环的开口角度，为开口谐振环的开口中心绕z轴的旋转角度；
图4为八种基本编码单元的在0.79THz时的透射振幅及相位的仿真结果；
图5为八种基本编码单元的透射相位的宽带性能的仿真结果，频率为0.8THz到1.2THz；
图6为八种基本编码单元的透射振幅的宽带性能的仿真结果，频率为0.8THz到1.2THz；
图7为两种不同编码的透射近场分布的数值仿真结果。(a)当编码矩阵为S1:0 1 23 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7….时，在y极化波的垂直入射下，x-z平面上的电场分布图(Ex分量)，频率为1.04THz；(b)当编码矩阵为S2:1 3 5 7 1 3 5 7…时，在y极化波的垂直入射下，x-z平面上的电场分布图(Ex分量)，频率为1.04THz；
图8为两种不同编码的透射远场方向图的数值仿真结果。(a)当编码矩阵为S1:0 12 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7….时，在y极化波的垂直入射下，x-z平面二维远场辐射方向图，频率为1.04THz；(b)当编码矩阵为S2:1 3 5 7 1 3 5 7…时，在y极化波的垂直入射下，x-z平面二维远场辐射方向图，频率为1.04THz；
图9为所产生的贝塞尔波束在x-z平面上的电场分布(Ex分量)的数值仿真结果。(a)在汇聚角度θ为5°(保持偏移值a＝0degree/μm)时，所产生的沿着法线方向的无衍射贝塞尔波束；(b)在汇聚角度θ为10°(保持偏移值a＝0degree/μm)时，所产生的沿着法线方向的无衍射贝塞尔波束；(c)在偏移值a＝0.1degree/μm(保持汇聚角为10°)时，所产生偏离法线方向的无衍射贝塞尔波束；(d)在偏移值a＝0.2degree/μm(保持汇聚角为10°)入射时，所产生的偏离法线方向的无衍射贝塞尔波束。
具体实施方式
本发明应用于太赫兹波段的3-比特透射式电磁编码超材料的基本单元结构：由三层金属开口谐振环和四层聚酰亚胺介质层交替排列构成，即从上至下为聚酰亚胺介质层、开口谐振环金属层、聚酰亚胺介质层、开口谐振环金属层、聚酰亚胺介质层、开口谐振环金属层、聚酰亚胺介质层。将所述基本单元结构按照预先设计的数字编码矩阵排列在二维平面上，便可实现如异常折射和无衍射贝塞尔波束等功能。
通过调整开口谐振环的开口角度及其方向，来实现不同的数字态。在y极化的垂直入射太赫兹波的照射下，八个基本单元结构的透射波的交叉极化分量能够实现八个离散相位，覆盖360度的相位范围。八个离散相位依次相差45度，分别对应于数字态“0”到“7”。
下面结合附图和具体实施案例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
为了验证本发明的功能及性能，将在太赫兹频段实例化本发明所提到的3-比特透射式电磁编码超材料的八种基本单元结构，如图1所示。图2给出了基本单元结构的立体结构图，其由三层金属开口谐振环和四层聚酰亚胺介质层交替排列构成，两层内部聚酰亚胺介质层(隔离层)和两层外部聚酰亚胺介质层(覆盖层)的厚度分别为d1＝40μm和d2＝5μm，其中顶部和底部开口谐振环的开口中心分别沿着x轴和y轴(也就是图3中α＝90°和0°)，中间层的开口谐振环的开口中心沿着45°和135°方向。图3给出了基本单元结构的俯视图，其中开口谐振环内半径r＝40μm，开口谐振环宽度w＝10μm,基本结构单元长度L＝100μm,八种数字态编码单元所对应几何参数如表1所示。
表1 3-比特透射式电磁编码超材料的八种基本单元结构的几何参数
通过调整开口谐振环的几何参数在0.79THz，得到的八个基本结构在y极化垂直入射电磁波的照射下的透射波交叉极化分量的相位为-60度，-15度，30度，75度，120度，165度，-150度，-105度，分别对应数字态“0”，“1”，“2”，“3”，“4”，“5”，“6”，“7”。
这里通过给出两个具体的编码来展示其对太赫兹波的异常偏折功能。第一个示例中，所设计的编码超材料拥有32×32个基本结构单元，相应的编码序列为S1:0 1 2 3 4 56 7 0 1 2 3 4 5 6 7…，运用CST微波工作室时域解算器可得到y极化平面波照射下编码超材料在1.04THz时的电场分布(Ex分量)，如图7a所示。从图7a可以观测到波阵面与z轴存在一定夹角，说明电磁波穿过编码超材料后，被转换为交叉极化分量，并关于z轴以一定倾斜角传播。从图8a可以观测到异常折射角度为21°。下面的公式给出了异常折射角度的计算公式：
其中λ代表自由空间波长(288μm在1.04THz时)，Γ代表一个梯度周期的长度(800μm)。通过计算发现，其仿真结果也与理论值21.13°高度一致。
为了评估透射式编码超材料的性能，使其能够将太赫兹波折射到更大的角度上，我们继续将编码序列周期长度减少至400μm，得到编码序列S2:1 3 5 7 1 3 5 7…,运用CST微波工作室时域解算器可得到y极化平面波照射下编码超材料在1.04THz时电场分布(Ex分量)，如图7b所示。在这种情况下，可以观测到波阵面与z轴的夹角增大，说明垂直入射波被转换为交叉极化分量，并产生了更大的偏折角。从图8b所示的二维远场辐射方向图，可看出其折射角度为46°，再次与理论值(46.14°)高度一致。为了进一步衡量所设计的透射式编码超材料在异常折射时的传输效率，我们将其远场方向图对电磁波垂直入射到同样大小的完美电导体上的背向反射峰值作归一化。从图8a和图8b中可以清楚地观测到序列S1和序列S2的传输效率分别为72％和58％。
接下来展示本发明另一个重要的特性，即利用透射式编码超材料产生太赫兹波段的无衍射贝塞尔波束，可通过将编码单元按照梯度相位沿着径向方向排列，具体的相位分布可由以下公式确定：
是编码超材料的相位分布，与离散的数字态对应；x和y是笛卡尔坐标系下每个编码单元到原点的距离；k0是自由空间波长；θ是汇聚角度，决定了波束汇聚程度；a是控制贝塞尔波束与法线的偏移值。通过在CST微波工作室中利用公式(2)建模并仿真了四个不同的贝塞尔波束，其中每个模型都包含33×33个编码单元，入射波为y极化垂直入射的平面波，频率为1.04THz。
如图9a和图9b所示电场(Ex分量)分布所示，当设置θ＝5°和10°，a＝0degree/μm时，y极化入射波被转化为x极化波并同时聚焦在法线附近，表现出独特的贝塞尔波束特征。图9a所示的无衍射贝塞尔波束长度明显长于图9b所示的长度，这是由于前者的汇聚角θ更小。然而，由于图9b中汇聚角θ更小，其贝塞尔波束区域内的电场强度要大于图9a。当添加偏移值a＝0.1degree/μm和0.2degrees/μm到图9b所示的编码单元时(即保持汇聚角为10°)，无衍射贝塞尔波束分别偏离了法线一定角度，同时保持了完好的波形(如图9c和图9d所示)。
本发明采用常规光刻流程进行加工，主要包含两个主要过程：聚酰亚胺层的制备和标准Lift-off(剥离)工艺过程。具体步骤如下：首先5μm厚的聚酰亚胺层(底层)通过旋转涂布到2寸临时衬底硅片(厚度400μm,n型,电阻率ρ＝3-6Ω·cm)上；随后，在热板进行加热固化，其温度阶梯为80度、120度、180度和250度，分别加热5分钟、5分钟、5分钟和20分钟；其次，利用光刻工艺将携带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180纳米的金，之后采用Lift-off(剥离)工艺在丙酮中生成最终的金属图案(底层)。通过重复上述步骤，可生成其余的聚酰亚胺层和金属层。由于聚酰亚胺柔软的物理特性和稳定的化学特性，本发明具有超薄柔性的特点，可与任何曲面物体共形，并且耐酸碱腐蚀，抗物理磨损，这些优良特性扩展了本发明的应用范围。
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、低剖面、高效率并且可共型的优点，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 (5)

1.一种应用于太赫兹波段的3-比特透射式电磁编码超材料，其特征在于，该材料由八种基本单元结构按照预先设计的数字编码序列在二维平面内排列而构成，其基本单元结构由三层金属开口谐振环和四层聚酰亚胺介质层交替叠合构成，其中，顶部和底部开口谐振环的开口中心在二维平面内坐标系内分别沿着x轴和y轴方向，中间层的开口谐振环的开口中心分别沿着45°或135°方向，通过调整开口谐振环的开口角度及开口方向，来实现八个不同的数字态。
2.根据权利要求1所述的应用于太赫兹波段的3-比特透射式电磁编码超材料，其特征在于，所述的八种基本单元结构在y极化的垂直入射太赫兹波的照射下，其透射波的交叉极化分量能够覆盖360度相位范围，以45度相位差实现8个离散相位，分别对应于数字态“0”到“7”。
3.根据权利要求1或2所述的应用于太赫兹波段的3-比特透射式电磁编码超材料，其特征在于，所述八个不同的数字态编码“0”、“1”、“2”、“3”、“4”、“5”、“6”、“7”所对应的单元几何参数分别为30°/45°、50°/45°、68°/45°、90°/45°、30°/135°、49.5°/135°、67.5°/135°和87°/135°，其中α为开口谐振环的开口角度，为开口谐振环的开口中心绕z轴的旋转角度。
4.根据权利要求1所述的应用于太赫兹波段的3-比特透射式电磁编码超材料，其特征在于，所述的所述聚酰亚胺介质层的厚度d1＝40μm，d2＝5μm，介电常数为3，损耗角正切为0.03。
5.根据权利要求1所述的应用于太赫兹波段的3-比特透射式电磁编码超材料，其特征在于，所述的基本单元结构的单元周期长度L为100μm。
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