CN106450766B - 一种多功能柔性动态偏振调制器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种多功能柔性动态偏振调制器件，该器件由三层结构组成，顶层和底层为周期金属亚波长结构阵列，中间层为柔性可拉伸的介质层。本发明通过外力拉伸器件，改变其结构面形，可动态调节偏振调制谐振频点，在微波和太赫兹波段频率调节范围大于20％。并能够在低频谐振点处将入射线偏振电磁波转换为交叉偏振实现高效反射，而在高频谐振点处将入射线偏振波转换为圆偏振波并实现高效透射，偏振转换效率接近100％。这种偏振度动态可调特性还适用于偏振隐身器件，并且由于介质层具有柔性，还可实现与现有重要装备共形的设计。

Description

一种多功能柔性动态偏振调制器件
技术领域
本发明属于偏振调制技术领域，尤其涉及一种多功能柔性动态偏振调制器件。
背景技术
传统偏振调制技术主要通过各向异性介质或者渐变波导等器件实现，具有体积大、工作频段单一，且难以实现动态偏振调控等缺陷。近些年出现的人工结构材料，其由人为设计的亚波长单元结构阵列化排布而成，对电磁波具有异常强大的调控能力，已经普遍用于实现对电磁波辐射特性、吸收特性、偏振调制特性等的人为操控。虽然亚波长结构具有尺寸小、厚度薄、能量利用效率高、工作频点、电磁调控能力可任意设计等诸多优势，但是利用亚波长结构实现对电磁波的动态调控仍旧是本领域的一大难点。由于亚波长结构的电磁调制能力主要取决于其单元结构形式和结构尺寸，因此实现动态电磁调控即需要改变其结构形式或者单元结构的尺寸。但是传统亚波长结构一般是由固态金属或者介质构造而成，一经加工完成，其结构形式和尺寸均难以改变。
近几年，有研究学者提出在亚波长结构的单元中引入半导体材料或元件，利用半导体材料在外加电压的控制下改变自身材料特性的方法，间接调控亚波长结构的单元形式，从而动态调节其电磁调制功能。但是这些加载半导体材料或元件均需要在硬质基底上才能制作，为人工结构材料在装备的共形设计带来了一定的限制。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有偏振调制器件存在的不足，提供一种可以实现对电磁波偏振态动态调控的柔性偏振调制器件。
本发明解决其技术问题采用以下技术方案：
一种多功能柔性动态偏振调制器件，从上至下依次包括：顶层金属亚波长结构阵列、介质层和底层金属亚波长结构阵列，其中，
(1)所述顶层金属亚波长结构阵列为在x方向和y方向周期排列的离散的各向异性结构。
(2)所述介质层为在工作波段透明的柔性可拉伸变形的介质材料，所述变形为双向、可逆的变形，所述介质层在二维平面内可沿各个方向拉伸；
(3)所述底层金属亚波长结构阵列为在x方向和y方向周期排列的离散的各向异性结构，在x方向或y方向拉伸，所述的各向异性结构在拉伸方向非连续，在不拉伸的方向是连续的。所述底层金属亚波长结构阵列具有频率选择特性，在低频处对y偏振电磁波具有高效反射特性，可作为反射式偏振调制器件的反射面；而其在高频处具有高效透射特性；
该偏振调制器件具有在微波段低频处和太赫兹波段反射式偏振调控以及微波段高频处透射式偏振调控功能。当作为反射式偏振调制器件时，该器件可将线偏振转换为交叉偏振，偏振调制谐振频点移动范围大于20％；当作为透射式偏振调制器件时，该器件可将线偏振转换为圆偏振，偏振调制谐振频点移动范围不小于3％。其中，所述低频为频率范围在C-Ku波段，所述高频为频率范围在Ka波段；高效反射指反射率可接近100％，高效透射指透射率可接近100％。
其中，所述柔性可拉伸的介质材料包括：聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚丙烯、聚对二甲苯。
其中，所述介质层的厚度为可轻松拉伸变形同时能保证拉伸过程中结构的完整，厚度约为：0.5-3mm。
其中，顶层和底层金属亚波长结构所用金属材料可相同或不同，所用金属所用金属的电导率大于104。
其中，所述器件可沿底层金属亚波长结构非连续的方向拉伸，使器件整体在该方向延展，改变顶层和底层金属亚波长结构的在该方向的周期，而同时保证另一个方向上器件不发生形变。
其中，所述器件适用于微波、太赫兹波段。
与现有技术相比的，本发明的有益效果为：本发明可实现低频谐振点处将入射线偏振电磁波转换为交叉偏振，而在高频谐振点处可将入射线偏振波转换为圆偏振波并实现高效率透射。通过外力拉伸器件，改变其结构面形，可动态调节偏振调制谐振频点，频率调节范围大于20％。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明在微波段低频处反射波的主偏振和交叉偏振态的反射率曲线，其中图2(a)为未拉伸时的反射率曲线，图2(b)为拉伸后的反射率曲线；
图3为本发明在微波段高频处透射波的主偏振和交叉偏振的透射率曲线，其中图3(a)为未拉伸时的透射率曲线，图3(b)为拉伸后的透射率曲线；
图4为本发明在太赫兹波段反射波的线偏振和圆偏振的反射率曲线，其中图4(a)为未拉伸时的反射率曲线，图4(b)为拉伸后的反射率曲线。
附图标记含义为：
1是顶层金属亚波长结构阵列；
2是柔性可拉伸的介质层；
3是底层金属亚波长结构阵列；
4-1是拉力；
4-2是拉力。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明的实施进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下面的实施例，下面的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，应包括权利要求书中的全部内容；而且本领域技术人员从以下的一个实施例即可实现权力要求书中的全部内容，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明的宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
实施例1微波段的动态偏振调制功能
如图1所示为本发明一种多功能柔性动态偏振调制器件，该偏振调制器件包括：顶层“工”字形金亚波长结构阵列，底层金线结构阵列，以及中间层聚二甲基硅氧烷(PDMS)。其中，顶层“工”字形金属Au亚波长结构的特征尺寸为l＝7mm，w＝1mm，d＝5mm，t＝2.7mm，x方向和y方向的周期px＝py＝8mm；底层金属线条数设计为两条；中间层PDMS在微波波段介电常数为1.96。结构形式上看，顶层金属Au亚波长结构具有明显的各向异性，因此可以调节两个正交方向上反射电磁波的相位差。
将一束电场方向与x轴和y轴夹角为45°的电磁波沿着-z方向正入射到该人工结构材料表面时，其可分解为两个分别沿着x方向和y方向的振幅和相位均相等的正交电场，这两个正交电场分别受到顶层和底层金属结构的反射调制，产生180°的相位差，同时保持反射率接近100％。反射电场在反射面叠加，产生于入射电磁波偏振态正交的交叉偏振电磁波。
如图2(a)所示为未拉伸时反射波的主偏振和交叉偏振态的反射率曲线。参见图2(a)，反射场中交叉偏振态的反射率在8.3GHz处达到峰值，接近1；与此同时，主偏振态的反射率接近0，偏振转换效率接近100％。表明该器件在未拉伸状态下具有偏振转换效果，可将入射的线偏振电磁波反射为其交叉偏振态的电磁波。
接下来对本发明的偏振调制器件在x方向施加拉力进行拉伸，在拉伸状态下的偏振调制功能如图2(b)所示，保持入射电磁波偏振态不变的情况下，不同拉伸比例对应的主偏振和交叉偏振的反射率极小值和极大值对应的谐振频点随拉伸比例s的增加而向高频移动。当拉伸比例s分别为1.1、1.3和1.5时，对应的谐振频点分别为8.6GHz、9.15GHz和10GHz，与未拉伸状态的谐振频点相比，该器件在拉伸比例为1.5时，其谐振频点的移动范围超过20％。
由该器件顶层和底层金属结构的离散化的结构形式可知，在微波段高频电磁波可透过该结构。依然以电场方向与x轴和y轴均成45°的线偏振电磁波沿z方向正入射到该亚波长结构上，出射场中x偏振和y偏振分量的振幅相同，相位相差90°，即将入射的线偏振电磁波转换成为圆偏振电磁波。出射场的左旋圆偏振和右旋圆偏振透过率曲线如图3(a)所示，在未拉伸状态下，在25.1GHz处，出射电磁波中左旋圆偏振分量的透过率达到0.95，而右旋圆偏振分量的透过率接近0，证明在该谐振点处入射的线偏振波被完全转换为左旋圆偏振波。
与低频波段的反射式偏振调控不同，在高频段的透射式圆偏振调控，其谐振频点随结构的拉伸变化并不明显，如图3(b)所示，当拉伸比例s增加到1.3时，其谐振频点向低频移动至24.35GHz，其变化范围仅为3％。这种谐振频点的稳定性可保证实际通信应用中系统的稳定性。
实施例2太赫兹波段的动态偏振调制功能
基于图1所示的工作在微波波段的柔性偏振动态调制器件，通过缩放其单元结构尺寸参数，可将其工作频点由微波波段提升至太赫兹波段。其中，顶层“工”字形金属亚波长结构的几何尺寸为：l＝1.6μm,w＝0.3μm,d＝1.1μm,厚度t＝9μm，周期px＝py＝2μm。为提高其反射效率，将单元结构底层金属线条数由两条增加到三条。
线偏振波入射情况下，该结构在27.2THz将入射的线偏振波完全转换为交叉线偏振波，反射率曲线如图4(a)所示。当在x方向对亚波长结构施加外力，将亚波长结构在x方向上拉伸时，亚波长结构的偏振调制谐振频点同样发生移动。当拉伸比例s分别为1.2和1.4时，对应的谐振频点分别为32THz和37THz，如图4(b)所示，对应的频率移动范围达到36％。
以上具体实施例对本发明的实施方式进行阐述，只是为了帮助理解本发明，不应对本发明的权利要求所保护的范围有所限制。

Claims (6)

1.一种多功能柔性动态偏振调制器件，其特征在于，该器件从上至下依次包括：顶层金属亚波长结构阵列、介质层和底层金属亚波长结构阵列，其中，
(1)所述顶层金属亚波长结构阵列为在x方向和y方向周期排列的离散的各向异性结构；
(2)所述介质层为在工作波段透明的柔性可拉伸变形的介质材料，所述变形为双向、可逆的变形，所述介质层在二维平面内可沿各个方向拉伸；
(3)所述底层金属亚波长结构阵列为在x方向和y方向周期排列的离散的各向异性结构，在x方向或y方向拉伸，所述的各向异性结构在拉伸方向非连续，在不拉伸的方向是连续的，所述底层金属亚波长结构阵列具有频率选择特性，在低频处对y偏振电磁波具有高效反射特性，可作为反射式偏振调制器件的反射面；而其在高频处具有高效透射特性；
该偏振调制器件具有在微波段低频处和太赫兹波段反射式偏振调控以及微波段高频处透射式偏振调控功能，当作为反射式偏振调制器件时，该器件可将线偏振转换为交叉偏振，偏振调制谐振频点移动范围大于20％；当作为透射式偏振调制器件时，该器件可将线偏振转换为圆偏振，偏振调制谐振频点移动范围不小于3％，其中，所述低频频率范围在C-Ku波段，所述高频频率范围在Ka波段；高效反射指反射率可接近100％，高效透射指透射率可接近100％。
2.根据权利要求1所述的多功能柔性动态偏振调制器件，其特征在于，所述柔性可拉伸的介质材料包括：聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚丙烯、聚对二甲苯。
3.根据权利要求2所述的多功能柔性动态偏振调制器件，其特征在于，所述介质层的厚度可轻松拉伸变形同时能保证拉伸过程中结构的完整，厚度为：0.5-3mm。
4.根据权利要求1所述的多功能柔性动态偏振调制器件，其特征在于，顶层和底层金属亚波长结构所用金属材料可相同或不同，所用金属的电导率大于104。
5.根据权利要求1所述的多功能柔性动态偏振调制器件，其特征在于，所述器件可沿底层金属亚波长结构非连续的方向拉伸，使器件整体在该方向延展，改变顶层和底层金属亚波长结构的在该方向的周期，而同时保证另一个方向上器件不发生形变。
6.根据权利要求1所述的多功能柔性动态偏振调制器件，其特征在于，所述器件适用于微波、太赫兹波段。
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