CN106887653B - 一种基于电磁感应透明效应的全介质极化变换器 - Google Patents

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Abstract

一种基于电磁感应透明效应的全介质极化变换器，涉及一种低损耗、超薄全介质极化变换器。解决了现有极化器件的厚度大不利于光子系统的集成或金属材料的极化器件损耗高，限制了极化器件应用的问题。本发明的四个半圆形介质砖两两相对设置，且相对设置的两个半圆形介质砖的半径相同，四根介质线的一端分别与四个半圆形介质砖的矩形侧面连接，四根介质线的另一端固定连接，且构成“十”字形，且所述四个半圆形介质砖和四根介质线均设置在正方形基板的上表面。本发明可作为全介质极化变换器使用。

Description

一种基于电磁感应透明效应的全介质极化变换器
技术领域
本发明涉及一种低损耗、超薄全介质极化变换器。
背景技术
目前，在异常折射、全息图、四分之一波板等许多领域都涉及到极化问题，因此，控制电磁波的极化状态受到了科学家广泛关注。为了控制电磁波的极化状态，学者们提出了许多有效方法，可以通过在吸收谱、传输谱和反射谱中控制电磁波的幅度和相位来完成。然而传统极化器件的厚度非常大，和波长相当，这对于它集成到现有的光子系统中是非常不便的。
最近研究表明，超介质可用于控制电磁波的极化状态。特别是手性和各向异性超介质在电磁波的极化控制方面表现出超强的能力。这些基于超介质的极化器件由于具有电薄厚度的优点，因此，可解决目前极化器件的厚度问题。但是这些基于超介质的极化器件具有很大的能量损耗，以传输谱为例，这些极化器件具有很大的传输损耗，也就是说，极化器件对于电磁波来说并不是高度透明的，这严重阻碍了极化器件的应用。为了解决极化器件的损耗问题，H.Cao研究小组提出了非扭转的Q型金属环结构，可实现低传输损耗的双频带圆极化波。然而，在目前的低损耗方案中，极化器件是利用金属材料构造的。当工作频率提升到更高的工作频段时(例如太赫兹波段或光波段)，由于金属本身的耗散损耗，基于金属材料的极化器件具有更高的损耗，这严重限制了极化器件的广泛应用。
发明内容
本发明是为了解决现有极化器件的厚度大不利于光子系统的集成或金属材料的极化器件损耗高，限制了极化器件应用的问题，提出了一种基于电磁感应透明效应的全介质极化变换器。
本发明所述的基于电磁感应透明效应的全介质极化变换器，它包括n个介质表面单元，每个介质表面单元均包括正方形基板1、四个半圆形介质砖2和四根介质线3；n为正整数。
四个半圆形介质砖2两两相对设置，且相对设置的两个半圆形介质砖2的半径相同，四根介质线3的一端分别与四个半圆形介质砖2的矩形侧面连接，四根介质线3的另一端固定连接，且构成“十”字形，且所述四个半圆形介质砖2和四根介质线3均设置在正方形基板1的上表面。
进一步地，四根介质线3固定连接构成的“十”字形的交点为圆形。
进一步地，四根介质线3固定连接构成的“十”字形的交点圆形的半径为R1；R1＝25μm。
进一步地，四个半圆形介质砖2中两个半圆形介质砖2的半径为R2，R2＝36μm另外两个半圆形介质砖2的半径为R3，R3＝43μm。
进一步地，正方形基板1的边长为a，a＝240μm。
进一步地，正方形基板1的厚度为d，d＝50μm。
进一步地，四根介质线3的长度均为L，L＝35μm。
进一步地，四个半圆形介质砖2和四根介质线3的厚度均为20μm。
进一步地，四个半圆形介质砖2和四根介质线3的介电常数均为114，正方形基板1的介电常数为3.79。
本发明所述的具有电磁感应透明效应的全介质超表面，完成了电磁波的极化控制。该全介质超表面利用米氏电磁感应透明效应的高透波率、强色散特性，实现了低损耗的极化变换，而且该结构具有厚度薄的优点(厚度约为0.13λ)。
在x极化和y极化入射波的激励条件下，该结构的传输响应如附图3和图4所示。从图中可以看出，对于x极化和y极化入射波，全介质超表面的传输谱中出现了两个明显的透明窗，并且在0.57THz附近，两个透明窗相遇，传输系数相等且透波率较高(传输系数约为0.6)。同时，两个极化入射时全介质超表面的传输相位差约为90度，满足线-圆极化变换的实现条件。因此，本发明提出的全介质超表面能够用作线圆极化变换器，工作频率为0.57THz。
附图5可以看出，在0.57THz附近，全介质超表面的椭圆率为0.999，这意味着线极化波被转换成圆极化波，进一步证实了本发明提出的全介质超表面具有线圆极化变换的功能。
附图6和图7显示了线圆极化变换发生时，全介质超表面在0.57THz的电流分布。从图6中可以看出，x极化入射时，电流主要分布在暗态介质砖中，这意味着亮态谐振被大大抑制(亮态介质线上的电流分布较少)，全介质超表面的辐射损耗被降低，也就是说，低损耗的电磁感应透明效应被实现。类似的现象也出现在y极化入射时，如附图7所示。
附图说明
图1为本发明所述基于电磁感应透明效应的全介质极化变换器一个介质表面单元的结构示意图；
图2为基于电磁感应透明效应的全介质极化变换器的单元阵列示意图；
图3为基于电磁感应透明效应的全介质极化变换器在x极化波和y极化波激励时的传输系数曲线图；图中，Tx为全介质超表面在x极化波激励时的传输系数曲线，Ty为全介质超表面在y极化波激励时的传输系数曲线；
图4为基于电磁感应透明效应的全介质极化变换器在x极化波和y极化波激励时的传输相移曲线图；
图5为基于电磁感应透明效应的全介质极化变换器的频率椭圆率曲线图。
图6为x极化入射时全介质超表面在0.57THz的电流分布示意图；图中，箭头表示电流分布，箭头的大小和箭头颜色的深浅代表电流强度的大小，箭头越大、颜色越深电流强度越大；
图7为y极化入射时全介质超表面在0.57THz的电流分布示意图；图中，箭头表示电流分布，箭头的大小和箭头颜色的深浅代表电流强度的大小，箭头越大、颜色越深电流强度越大。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
具体实施方式一、结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于电磁感应透明效应的全介质极化变换器，它包括n个介质表面单元，每个介质表面单元均包括正方形基板1、四个半圆形介质砖2和四根介质线3；n为正整数。
四个半圆形介质砖2两两相对设置，且相对设置的两个半圆形介质砖2的半径相同，四根介质线3的一端分别与四个半圆形介质砖2的矩形侧面连接，四根介质线3的另一端固定连接，且构成“十”字形，且所述四个半圆形介质砖2和四根介质线3均设置在正方形基板1的上表面。
本实施方式所述的附图5显示了全介质超表面的椭圆率这里R＝|Tx|/|Ty|,Tx和Ty分别为x极化波和y极化波入射时，全介质超表面的传输系数。从图中可以看出，在0.57THz附近，全介质超表面的椭圆率为0.999，这意味着线极化波被转换成圆极化波，进一步证实了本发明提出的全介质超表面具有线圆极化变换的功能。
具体实施方式二、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于电磁感应透明效应的全介质极化变换器的进一步说明，四根介质线3固定连接构成的“十”字形的交点为圆形。
具体实施方式三、本实施方式是对具体实施方式二所述的一种基于电磁感应透明效应的全介质极化变换器的进一步说明，四根介质线3固定连接构成的“十”字形的交点圆形的半径为R1；R1＝25μm。
具体实施方式四、本实施方式是对具体实施方式一或二所述的一种基于电磁感应透明效应的全介质极化变换器的进一步说明，四个半圆形介质砖2中两个半圆形介质砖2的半径为R2，R2＝36μm，另外两个半圆形介质砖2的半径为R3，R3＝43μm。
具体实施方式五、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于电磁感应透明效应的全介质极化变换器的进一步说明，正方形基板1的边长为a，a＝240μm。
具体实施方式六、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于电磁感应透明效应的全介质极化变换器的进一步说明，正方形基板1的厚度为d，d＝50μm。
具体实施方式七、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于电磁感应透明效应的全介质极化变换器的进一步说明，四根介质线3的长度均为L，L＝35μm。
具体实施方式八、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于电磁感应透明效应的全介质极化变换器的进一步说明，四个半圆形介质砖2和四根介质线3的厚度均为20μm。
具体实施方式九、本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于电磁感应透明效应的全介质极化变换器的进一步说明，四个半圆形介质砖2和四根介质线3的介电常数均为114，正方形基板1的介电常数为3.79。
本发明利用介质线和半圆形介质砖之间的米氏电磁耦合，在全介质超介质中模拟实现了电磁感应透明效应。对于x极化入射波，水平介质线与R3介质砖之间的米氏电磁耦合，诱导出中心频率为0.55THz的透明窗；对于y极化入射波，垂直介质线与R2介质砖之间的米氏电磁耦合，诱导出中心频率为0.62THz的透明窗。利用电磁感应透明效应的低损耗和强色散特性，在THz波段构造出一种新型的全介质线圆极化变换器。该器件的透波率高、损耗低。利用全介质超表面极化相关的谐振特性，实现了电磁波的极化控制。器件的性能依赖于两个极化入射时的电磁响应，与器件的厚度无关，因此该器件具有厚度薄的优点(厚度约为0.13λ)。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于电磁感应透明效应的全介质极化变换器，其特征在于，它包括n个介质表面单元，每个介质表面单元均包括正方形基板(1)、四个半圆形介质砖(2)和四根介质线(3)；n为正整数；
四个半圆形介质砖(2)两两相对设置，且相对设置的两个半圆形介质砖(2)的半径相同，四根介质线(3)的一端分别与四个半圆形介质砖(2)的矩形侧面连接，四根介质线(3)的另一端固定连接，且构成“十”字形，且所述四个半圆形介质砖(2)和四根介质线(3)均设置在正方形基板(1)的上表面。
2.根据权利要求1所述的一种基于电磁感应透明效应的全介质极化变换器，其特征在于，四根介质线(3)固定连接构成的“十”字形的交点为圆形。
3.根据权利要求2所述的一种基于电磁感应透明效应的全介质极化变换器，其特征在于，四根介质线(3)固定连接构成的“十”字形的交点圆形的半径为R1；R1＝25μm。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于电磁感应透明效应的全介质极化变换器，其特征在于，四个半圆形介质砖(2)中两个半圆形介质砖(2)的半径为R2，R2＝36μm，另外两个半圆形介质砖(2)的半径为R3，R3＝43μm。
5.根据权利要求1所述的一种基于电磁感应透明效应的全介质极化变换器，其特征在于，正方形基板(1)的边长为a，a＝240μm。
6.根据权利要求1所述的一种基于电磁感应透明效应的全介质极化变换器，其特征在于，正方形基板(1)的厚度为d，d＝50μm。
7.根据权利要求1所述的一种基于电磁感应透明效应的全介质极化变换器，其特征在于，四根介质线(3)的长度均为L，L＝35μm。
8.根据权利要求1所述的一种基于电磁感应透明效应的全介质极化变换器，其特征在于，四个半圆形介质砖(2)和四根介质线(3)的厚度均为20μm。
9.根据权利要求1所述的一种基于电磁感应透明效应的全介质极化变换器，其特征在于，四个半圆形介质砖(2)和四根介质线(3)的介电常数均为114，正方形基板(1)的介电常数为3.79。
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