CN106450794A - 手征超表面太赫兹反射式90度极化器 - Google Patents

Abstract

手征超表面太赫兹反射式90度极化器，属于电磁波全矢量传输调控器件技术领域，本发明包括在一个平面上周期性排列的M×N个极化单元，每个极化单元包括衬底介质基片、设置于衬底介质基片正面的正面谐振结构和设置于衬底介质基片反面的反面谐振结构，所述正面谐振结构为中心对称结构，反面谐振结构与正面谐振结构互为90°共轭，M和N皆为大于20的整数。本发明利用微纳制造技术加工，相对于利用离子刻蚀、电光晶体等结构实现太赫兹反射式极化器，本发明结构简单、体积小、加工成本低、可控精度高。

Description

手征超表面太赫兹反射式90度极化器

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

太赫兹是介于微波与红外光之间的独特电磁波频带，具有丰富的频谱资源(频率为0.1THz～10THz)，适中的波束宽度，在未来高速无线通信和高分辨成像雷达等领域具有广泛的应用前景，是目前相关领域的国际研究热点。

超材料(Metamaterials)具有天然电磁材料所不具备的超常电磁特性，例如，负折射现象、反常切伦科夫辐射、反常多普勒效应、超分辨成像、隐身以及超强的电磁波极化旋转能力等，在电磁学或光学器件等领域有广阔的应用前景。手征超表面(ChiralMetasurface)作为一种具有超薄亚波长厚度的二维平面超材料，由于表面等离子激元的极化转换效率不同，表现出不对称传输和高旋光度的奇异特性。手征超表面对不同电磁波模式呈现出负折射/负反射、极化旋转和非对称透射等现象，能够对电磁波的相位、振幅、极化方式、传播模式进行高效调控，对实现具有综合调制功能的高集成度太赫兹调制器件具有重要的研究意义和应用价值。

当电磁波透过手征超表面时，电场分量既能引起电极化响应，也能引起磁极化响应。磁场分量不仅可以引起磁极化响应，也能引起电极化响应，这将导致交叉耦合效应的发生。当入射波极化方向满足一定条件时，电磁波穿过手征超表面将出现极化旋转和圆二色性现象。利用手征超表面的交叉耦合效应和非对称传输特性，能够研制出特殊的功能材料，如吸波材料、旋光材料、旋磁材料等，手征超表面在扫描天线、成像、通信等领域中具有广阔的应用前景，是太赫兹领域的研究热点之一。

该反射式超表面可以对线极化输入模式实现高效率的反射波90度极化偏转，同时对左旋和右旋圆极化波具有很高的转换效率和圆单色性。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 Perotinterferometer-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。通常超表面极化器的介质基底厚度在1/25波长左右，本发明提出的极化器基底厚度可以达到1/6波长左右，水平和垂直方向的周期电长度约为1/5波长，可以采用常规的光刻工艺制造，有效提高了在太赫兹到红外频段调控器件中的应用性。

极化器是光学和光电子学领域中极为重要的无源器件，可以对电磁波的极化状态实现有效的转换。对于微波和太赫兹频段，基于衍射光学原理研制的传统光学元件由于体积较大，难以满足无线通信和高分辨成像雷达系统的高集成化需求。基于手征超表面的极化器主要是通过ELC(Electric–LC Structure)和SRRs((Split ring resonances)两种手征结构形式实现透射式极化旋转。本发明基于单向非对称ELC手征超表面结构实现了反射式的极化器，具有高旋光度和负折射率特性，大大扩展了此类极化器件在反射式扫描天线、反射式成像、反射式通信调制等系统的应用。

2014年4月澳大利亚莫纳什大学的Weiren Zhu等人在Journal of AppliedPhysics发表文章，给出了一种5.8GHz的U形非四重旋转对称结构的超表面反射式极化器。该极化器所采用的手征结构为非中心连接型结构，在垂直和水平方向上均为非对称结构。该极化器可以对线极化和左/右旋圆极化波实现较高效率的极化转换，但交叉极化转换效率(cross polarization conversion)还有待提高，且非对称反射特性显著，带外抑制度不太理想，基底厚度的电长度为1/25波长，在太赫兹频段加工难度极高。本发明首次利用L+T型非对称ELC手征结构实现反射式极化器，所采用的手征结构为中心连接型结构，上层手征结构在垂直方向上为非对称结构，水平方向为对称结构，下层手征结构在垂直方向上为对称结构，水平方向为非对称结构。本发明提出的反射式极化器具有极化转换效率更高、交叉极化与共极化波隔离度高、带外抑制度更高、非对称传输特性弱、基底厚度的电长度更大、加工难度更低等优势。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种极化转换效率高、插入损耗小、双向极化、非对称传输特性弱、带外抑制明显、结构简单、尺寸小、调控方便、易于加工的非对称ELC手征超表面太赫兹反射式极化器。

不同于传统反射式手征结构极化器，该极化器未采用完全金属层背板，因而入射波可以从极化器两侧分别入射，实现反射式极化转换，该特性在传感器、反射式天线等领域具有重要的应用价值。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，手征超表面太赫兹反射式90度极化器，其特征在于，包括在一个平面上周期性排列的M×N个极化单元，每个极化单元包括衬底介质基片、设置于衬底介质基片正面的正面谐振结构和设置于衬底介质基片反面的反面谐振结构，所述正面谐振结构为中心旋转对称结构，所述反面谐振结构与正面谐振结构互为90°共轭，即反面谐振结构为正面谐振结构沿对称中心旋转90°得到。由于正面谐振结构为中心旋转对称图形，水平极化/垂直极化与左旋/右旋是等效的。各极化单元的衬底介质基片构成一个整体衬底介质基片平板。

正面谐振结构包括正交设置的x轴金属条、y轴金属条、第一金属边L1、第二金属边L2、第三金属边L3、第四金属边L4、第五金属边L5、第六金属边L6；

其中，第一金属边L1设置于第一象限右方，第二金属边L2设置于第二象限上方，第三金属边L3设置于第二象限左方，第四金属边L4设置于第三象限左方，第五金属边L5设置于第四象限下方，第六金属边L6设置于第四象限右方；

以上各金属边在衬底介质基板上的投影皆为直角梯形，其斜边均指向对称中心区域，且各金属边均具有一个平行于x轴的直角边。

各金属边皆具有一个45°的角，在第二象限的左上角形成一个开口，在第四象限的右下角亦形成一个开口。

衬底介质基片材料采用Polyethylene Terephthalate(PET)，介电常数约为2.43，磁导率为1，损耗正切约为0.001，厚度为d,d为百微米量级。

或者，衬底介质基片的材料为环氧树脂、砷化镓、聚四氟乙烯或罗杰斯系列材料。

所述的周期性排列的金属谐振结构，每个谐振单元的金属线和开口可以等效为电感和电容，介质层可以等效为LC谐振器，等效电路如图4所示。极化旋转的物理机理如图5所示。如图5(a)所示，平面波垂直入射手征超表面时，电场极化沿y方向，形成了表面电流构成的电偶极子，既有与入射电场方向平行的y方向，也有与之垂直的x方向；同时在上下层金属手征结构中产生了与入射磁场方向平行的正反向电流，形成了沿入射电场方向的磁偶极子，该磁偶极子激发的磁场将在x方向激励电场，从而产生强电磁交叉耦合，形成具有显著手征特性的极化旋转。如图5(b)所示为交叉极化转换的场分布效果，当y方向极化的电场沿垂直方向入射到极化器后，在与波传播方向垂直的介质中间层上的散射磁场极化方向已从x方向转换为y方向，而反射的电场已经转换为x方向极化，表明极化器具有90度极化旋转的功能。发现上下层的金属手征结构之间形成具有干涉效应的F-P腔，通过调整基底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。

本发明具有如下优点：1)本发明利用微纳制造技术加工，相对于利用离子刻蚀、电光晶体等结构实现太赫兹反射式极化器，本发明结构简单、体积小、加工成本低、可控精度高；2)本发明基于电磁交叉耦合和F-P腔干涉效应实现太赫兹反射式极化器，本发明弥补了手征超表面反射式极化器研究的不足，提供了一种新颖的反射式极化器工作原理，在太赫兹无线通信系统、高分辨成像雷达等领域具有重要的应用价值；3)本发明通过对谐振单元关键结构参数和介质基底参数的调整改善电磁交叉耦合效应和手征极化旋转效应，具有高极化转换效率、低插入损耗、高旋光度、双向极化、非对称传输特性弱等优势；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，实现单一频点/多频点、单一模式/多模式、单一入射角度/多入射角度的极化旋转。本发明对太赫兹传输功能器件和检测器件的发展有十分重要的应用价值。

附图说明：

图1为本发明提供的基于非对称ELC结构的双层手征超表面太赫兹反射式极化器的三维结构示意图；

图2为双层金属手征结构的单个谐振单元结构示意图；

图3为上下层谐振单元L+T型结构的旋转构成示意图；

图4为谐振单元的等效电路图；

图5为本发明的手征超表面太赫兹反射式极化器的表面电流仿真图。

图6为本发明的手征超表面太赫兹反射式极化器的电场分布仿真结果图。

图7为基于非对称ELC结构的手征超表面太赫兹反射式极化器反射频谱仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1、2所示，包括信号输入端/反射输出端1、信号透射输出端2、衬底介质基片正反表面的两层金属手征结构表面层3和4、衬底介质基片5(以图中3、4之间的透明部分表示)；两层金属手征结构表面层位于介质材料层的两侧表面；每层金属手征结构表面层由周期性正方形排列的非对称电谐振(Electric LC-ELC)单元构成，周期性谐振结构具有M×N个无间距排列的ELC单元,M和N皆为大于20的整数。

上下层金属手征结构表面层的ELC谐振单元周期排列结构相同，形状结构互为共轭结构。所述金属手征结构表面层上、下层谐振单元结构的旋转构成方式，如图3所示。所述金属手征结构表面层上层(入射端/反射输出端)谐振单元包括一个L+T型的金属结构，一个由L+T型金属结构绕单元中心轴(Z轴)旋转180度后的金属结构。所述谐振单元的L+T型的金属结构，T形金属结构短边垂直于L形金属结构的长边，连接处位于L形金属结构长边的中点处，L形金属结构短边与T形金属结构短边平行，T形金属结构长边与L形金属结构短边的端面均采用45度斜切形式；L形金属结构长边长度为b，短边长度为短边宽度为w，长边宽度为w/2。谐振单元T形金属结构长边长度为短边长度为b/2，长边和宽边宽度均为w；L形金属结构短边端面与T形金属结构长边的45度斜切端面构成的开口宽度为g。所述金属手征结构表面层下层(透射输出端)谐振单元为上层金属结构的共轭结构，即下层金属结构由上层金属结构绕中心轴(Z轴)旋转90度后形成。所述金属手征结构表面层上层谐振单元在入射面上的垂直方向构成非对称结构，在水平方向构成对称结构。所述金属手征结构表面层下层谐振单元在透射面上的垂直方向构成对称结构，在水平方向构成非对称结构。分别在平面电磁波信号垂直于信号输入端输入，依次经过手征超表面上层、衬底介质基片、手征超表面下层，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90度极化旋转。

所述的衬底介质基片材料可以采用陶瓷介质材料、石英晶体等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。

所述的周期性排列的金属谐振结构，每个谐振单元的金属线和开口可以等效为电感和电容，介质层可以等效为LC谐振器，等效电路如图4所示。极化旋转的物理机理如图5所示。如图5(a)所示，平面波垂直入射手征超表面时，电场极化沿y方向，形成了表面电流构成的电偶极子，既有与入射电场方向平行的y方向，也有与之垂直的x方向；同时在上下层金属手征结构中产生了与入射磁场方向平行的正反向电流，形成了沿入射电场方向的磁偶极子，该磁偶极子激发的磁场将在x方向激励电场，从而产生强电磁交叉耦合，形成具有显著手征特性的极化旋转。如图5(b)所示为交叉极化转换的场分布效果，当y方向极化的电场沿垂直方向入射到极化器后，在与波传播方向垂直的介质中间层上的散射磁场极化方向已从x方向转换为y方向，而反射的电场已经转换为x方向极化，表明极化器具有90度极化旋转的功能。发现上下层的金属手征结构之间形成具有干涉效应的F-P腔，通过调整基底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：

一种基于手征超表面的非对称ELC太赫兹反射式极化器，如图1、2所示，包括衬底介质基片和衬底介质基片表面周期性排列的金属手征结构；所述手征超表面结构包括介质材料层和两层金属手征结构表面层；所述两层金属手征结构表面层位于介质材料层的两侧表面，每层金属手征结构表面层由周期性正方形排列的谐振单元构成，周期性谐振结构具有M×N个无间距排列的非对称L+T型金属结构单元，且M＝N＝50，两层金属手征结构表面层的谐振单元排列结构相同，形状结构互为共轭结构；所述属手征结构表面层的谐振单元包括一个L+T型的金属结构，一个由L+T型金属结构绕单元中心轴(Z轴)旋转180度后的金属结构。参见图3，谐振单元为L+T型的金属结构，T形金属结构短边垂直于L形金属结构的长边，连接处位于L形金属结构长边的中点处，L形金属结构短边与T形金属结构短边平行，T形金属结构长边与L形金属结构短边的端面均采用45度斜切形式。图3表示左图金属结构旋转180°仍与自身重合，旋转90°即为右图。

所述的衬底介质基片材料采用Polyethylene Terephthalate(PET)，介电常数约为2.43，磁导率为1，损耗正切约为0.001，厚度为d；所述金属谐振结构的线条材料采用电导率为3.72×10⁷S/m，厚度为h的金属铝。

如图2所示手征超表面的结构参数为：N＝50，d＝160μm，h＝500nm，a＝176μm，b＝160μm,w＝10μm，g＝10μm，α＝45°。

图7所示为本发明的单向非对称ELC太赫兹反射式极化器反射频谱仿真结果图。经三维高频电磁仿真软件CST模拟得到：如图7(a)所示，当线极化入射波垂直入射时，在频率为0.40THz时，y方向极化旋转到x方向的反射系数为0.903，x方向极化旋转到y方向的反射系数与前者基本相同；RCP右旋圆极化波旋转到LCP左旋圆极化波的反射系数为0.922，左旋到右旋圆极化波的反射系数与前者基本相同；如图7(b)所示，当入射波垂直入射时，在频率为0.4THz时，对于正反向入射时线极化和圆极化入射波的极化转换比例(PolarizationConversion Ratio-PCR)系数均超过99％，表明极化转换后的反射波具有很高的纯度；由于极化器的非对称传输特性弱，正、反向入射波条件下，反射波的手征特性差异很小。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，需要注意的是由于是反射式极化器，需要使入射波方向和反射波方向偏离一定角度，以便于测试。经过模拟发现选择入射波方向为30度时，即入射波电场极化方向为30度时(与x轴夹角)，极化转换功率效率仍超过79％。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。

本案中的L+T型非对称手征周期结构，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。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，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.手征超表面太赫兹反射式90度极化器，其特征在于，包括在一个平面上周期性排列的M×N个极化单元，每个极化单元包括衬底介质基片、设置于衬底介质基片正面的正面谐振结构和设置于衬底介质基片反面的反面谐振结构，所述正面谐振结构为中心对称结构，反面谐振结构与正面谐振结构互为90°共轭，M和N皆为大于20的整数。

2.如权利要求1所述的手征超表面太赫兹反射式90度极化器，其特征在于，所述正面谐振结构包括正交设置的x轴金属条、y轴金属条、第一金属边(L1)、第二金属边(L2)、第三金属边(L3)、第四金属边(L4)、第五金属边(L5)、第六金属边(L6)；

其中，第一金属边(L1)设置于第一象限右方，第二金属边(L2)设置于第二象限上方，第三金属边(L3)设置于第二象限左方，第四金属边(L4)设置于第三象限左方，第五金属边(L5)设置于第四象限下方，第六金属边(L6)设置于第四象限右方；

以上各金属边在衬底介质基板上的投影皆为直角梯形，其斜边均指向对称中心区域，且各金属边均具有一个平行于x轴的直角边。

3.如权利要求2所述的手征超表面太赫兹反射式90度极化器，其特征在于，各金属边皆具有一个45°的角，在第二象限的左上角形成一个开口，在第四象限的右下角亦形成一个开口。

4.如权利要求/3所述的手征超表面太赫兹反射式90度极化器，其特征在于，所述极化单元的周期长度为a，a为百微米量级。

5.如权利要求2所述的手征超表面太赫兹反射式90度极化器，其特征在于，所述衬底介质基片材料采用PET材料，介电常数为2.43，磁导率为1，损耗正切为0.001，厚度为d,d为百微米量级。

6.如权利要求2所述的手征超表面太赫兹反射式90度极化器，其特征在于，所述衬底介质基片的材料为石英晶体、环氧树脂、聚四氟乙烯、罗杰斯系列或砷化镓等半导体材料。

7.如权利要求2所述的手征超表面太赫兹反射式90度极化器，其特征在于，各极化单元的衬底介质基片构成一个整体衬底介质基片平板。