CN107221732B - 一种基于黑磷的超宽带极化可重构圆极化器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于黑磷的超宽带极化可重构圆极化器，由在同一水平面内周期性排列的M×N个单元结构组成，所述的单元结构包括依次堆叠的保护层、黑磷层、中间介质层、全反射面层；所述的黑磷层由n层黑磷片层组成，黑磷片层与片层之间由隔离介质层隔开，所述的保护层用于防止黑磷与空气或水接触，起到保护作用。该极化器开启了基于黑磷的圆极化器的设计，黑磷超材料的各向异性，使得线‑圆极化转换成为可能；而黑磷的面内各向异性也可能对线‑圆极化转换产生影响；同时，黑磷的单层原子的厚度有利于实现圆极化器的小型化。

Description

一种基于黑磷的超宽带极化可重构圆极化器
技术领域
本发明涉及电磁波极化器技术领域，具体涉及一种基于黑磷的超宽带极化可重构圆极化器。
背景技术
电磁波的极化转换，尤其是将线极化波转换为圆极化波在实际应用中极具重要意义。传统的极化器结构复杂，厚度较厚，十分不利于实际应用。而且效率低、带宽窄极大地限制了其应用。超材料的研究与发展使得小型化、高效率、宽带宽的极化器设计成为可能。超材料是由亚波长的结构周期或非周期排列而成的人工复合材料。通过改变单元结构的几何参数满足所需的电磁参数，进而能调控电磁波的极化状态。
不同于其他二维材料，黑磷的原子排布由于sp3杂化形成脊状的褶皱六边形蜂窝结构，这导致了其面内各向异性的电光特性。而黑磷的面内各向异性可由笛卡尔坐标系表示，其中x方向(或扶手椅方向)、y方向(或锯齿方向)分别和脊垂直、平行。与石墨烯和过渡金属硫化物相比，黑磷拥有直接带隙。二维黑磷的直接带隙由其厚度决定，单层黑磷的带隙约为2eV。黑磷会对中红外、远红外，甚至可见光波段的电磁波产生响应，使得黑磷在许多器件设计中存在潜在应用。目前尚未见有基于黑磷在极化器上的相关研究报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于黑磷的超宽带极化可重构圆极化器，该极化器能在宽带范围内将线极化波转换为圆极化波，而且结构简单，极化可重构。
实现本发明目的的技术方案是：
一种基于黑磷的超宽带极化可重构圆极化器，由在同一水平面内周期性排列的M×N个单元结构组成；所述的单元结构包括依次堆叠的保护层、黑磷层、隔离介质层、中间介质层、全反射面层；所述的黑磷层由n层黑磷片层组成，黑磷片层与片层之间由隔离介质层隔开，所述的保护层用于防止黑磷与空气或水接触，起到保护作用。
所述的单元结构，周期长度p为1-20um。
所述的黑磷层，由n层黑磷片层组成，n为1-80。
所述的黑磷片层，厚度为1nm，由四个形状相同的黑磷矩形结构按90°旋转对称形式排列而成。
所述的黑磷矩形结构，矩形的长l为0.2-15um，宽w为0.2-15um，矩形边界与单元结构的边界距离s为0.05-5um。
所述的n层黑磷片层，分为偶数层和奇数层；奇数层的黑磷片层与偶数层的黑磷片层关于45°或135°对角线对称。
所述的隔离介质层，厚度为0.01-0.05μm，介电常数为1.05-2.25。
所述的中间介质层，厚度为2-10μm，介电常数为2.25-3.5。
有益效果：本发明提供的一种基于黑磷的超宽带极化可重构圆极化器，开启了基于黑磷的圆极化器的设计，黑磷超材料的各向异性，使得线-圆极化转换成为可能；而黑磷的面内各向异性也可能对线-圆极化转换产生影响；同时，黑磷的单层原子的厚度有利于实现圆极化器的小型化。
附图说明
图1为本发明去掉保护层的三维结构示意图；
图2为本发明单元结构侧视图；
图3为本发明奇数层黑磷片层结构示意图；
图4为本发明偶数层黑磷片层结构示意图；
图5为本发明实施例中的反射波两垂直分量的反射系数的幅度和相位比较图；
图6为本发明实施例的u极化线极化波入射下的极化率；
图7为本发明实施例的v极化线极化波入射下的极化率；
图8为本发明实施例的轴比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例为本发明做进一步阐述，但不是对本发明的限定。
实施例：
如图1、图2所示，一种基于黑磷的超宽带极化可重构圆极化器，由在同一水平面内周期性排列的M×N个单元结构组成，其中M＝N；所述的单元结构包括依次堆叠的保护层、黑磷层、隔离介质层、中间介质层、全反射面层；所述的黑磷层由36层黑磷片层组成，黑磷片层与片层之间由隔离介质层隔开，所述的保护层用于防止黑磷与空气或水接触，起到保护作用。
如图3、图4所示，所述的单元结构，周期长度p为7.5um。
所述的黑磷片层，厚度为1nm，由四个形状相同的黑磷矩形结构按90°旋转对称形式排列而成。
所述的黑磷矩形结构，矩形的长L为4.2um，宽w为2.8um，矩形边界与单元结构的边界距离s为0.1um。
所述的36层黑磷片层，分为偶数层和奇数层；奇数层的黑磷片层与偶数层的黑磷片层关于45°或135°对角线对称。
所述的隔离介质层，厚度为0.05μm，介电常数为1.05。
所述的中间介质层，厚度为3.5μm，介电常数为2.25。
当入射波为u极化(45°极化，相对于x轴逆时针偏转45°)、向-z轴方向传播的线极化波，则反射波为
Figure BDA0001334479690000031
由于黑磷的各向异性使得反射波u、v分量的反射系数的幅度和相位不同。当
Figure BDA0001334479690000032
的反射系数的幅度ruu、rvu相等，相位差
Figure BDA0001334479690000033
(n为奇数)时，产生线-圆极化转换。其中ruu＝|Eur/Eui|、rvu＝|Evr/Eui|分别表示u极化到u极化、u极化到v极化反射系数的幅度，φuu、φvu为对应的相位，下标i、r分别表示入射波和反射波，下标u、v分别表示波的极化方向。
如图5所示，在11.74THz-18.14THz频段内，反射波两垂直分量的反射系数幅值ruu、rvu近似相等，相位近似相差-90°或270°，实现了线极化到右旋圆极化的转换。
引入了斯托克斯参数描述该极化器的极化转换性能：
I＝|ruu|2+|rvu|2 (1)
Q＝|ruu|2-|rvu|2 (2)
U＝2|ruu||rvu|cosΔφ (3)
V＝2|ruu||rvu|sinΔφ (4)
上述公式(1)、(2)、(3)、(4)中：I为波的总强度，Q为u极化波分量，U为y极化波分量，V右旋极化波分量。
定义极化率为：
Figure BDA0001334479690000034
上述公式(5)中，e表征极化器的圆极化转换能力,当e＝1时，产生左旋圆极化波；当e＝-1时，产生右旋圆极化波。
此外，定义
Figure BDA0001334479690000035
轴比AR＝10log10(tanβ)，其中α为椭圆倾斜角，β为极化度角。若AR<3dB，则满足圆极化工程要求。
如图6所示，在11.74THz-18.14THz频段内e均在-0.8以下，近似为-1，为右旋圆极化。
如图7所示，v极化线极化波入射下，在11.74THz-18.14THz频段内e均在0.8以上，近似为1，为左旋圆极化。只需改变入射波的极化方向而不需要改变结构就能实现不同旋向的线-圆极化转换，从而该极化器具有极化可重构特性。
如图8所示，在11.74THz-18.14THz频段内AR<3dB，满足圆极化工程要求。

Claims (5)

1.一种基于黑磷的超宽带极化可重构圆极化器，由在同一水平面内周期性排列的M×N个单元结构组成，其特征在于，所述的单元结构包括依次堆叠的保护层、黑磷层、隔离介质层、中间介质层、全反射面层；所述的黑磷层由n层黑磷片层组成，黑磷片层与片层之间由隔离介质层隔开，所述的保护层用于防止黑磷与空气或水接触，起到保护作用；
所述的黑磷片层，厚度为1nm，由四个形状相同的黑磷矩形结构按90°旋转对称形式排列而成；
所述的黑磷矩形结构，矩形的长l为0.2-15μm，宽w为0.2-15μm，矩形边界与单元结构的边界距离s为0.05-5μm；
所述的n层黑磷片层，分为偶数层和奇数层；奇数层的黑磷片层与偶数层的黑磷片层关于45°或135°对角线对称。
2.根据权利要求1所述的一种基于黑磷的超宽带极化可重构圆极化器，其特征在于，所述的单元结构，周期长度p为1-20μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于黑磷的超宽带极化可重构圆极化器，其特征在于，所述的黑磷层，由n层黑磷片层组成，n为1-80。
4.根据权利要求1所述的一种基于黑磷的超宽带极化可重构圆极化器，其特征在于，所述的隔离介质层，厚度为0.01-0.05μm，介电常数为1.05-2.25。
5.根据权利要求1所述的一种基于黑磷的超宽带极化可重构圆极化器，其特征在于，所述的中间介质层，厚度为2-10μm，介电常数为2.25-3.5。
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