CN107359388A - 超表面太赫兹动态反射式极化调制器 - Google Patents

超表面太赫兹动态反射式极化调制器 Download PDF

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Abstract

超表面太赫兹动态反射式极化调制器，属于电磁波全矢量传输调控器件技术领域，本发明包括极化结构单元，所述极化结构单元包括衬底介质基片以及设置于衬底介质基片正面的正面谐振结构和设置于介质基片反面的反面谐振结构，其特征在于，正面谐振结构与反面谐振结构结构相同且互为90°共轭；所述正面谐振结构包括下述各边：设置于第一象限右方的第一金属边，设置于第二象限上方的第二金属边，设置于第二象限左方的第一金属氧化物边，设置于第三象限左方的第四金属边，设置于第四象限下方的第五金属边，设置于第四象限右方的第二金属氧化物边；以上各边在衬底介质基板上的投影皆为直角梯形，各直角梯形的斜腰均指向对称中心区域，且均具有一个平行于x轴的直角边。本发明实现了超薄尺度下的电磁波极化调控。

Description

超表面太赫兹动态反射式极化调制器
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，特别涉及一种基于超表面动态可调太赫兹反射式极化转化器。
背景技术
太赫兹(Terahertz,THz)技术在安全检测，无线通信，无损检测，成像等领域有着快速的发展。高性能的太赫兹极化调控器件是太赫兹通信、成像和检测等系统的核心器件，在通信、导航、雷达、制导等高科技领域具有重要的应用价值。传统电磁材料制备的极化调控器件主要基于Faraday效应和双折射原理等传统光学理论，需要较长的传播距离、外加磁场和复杂的结构来产生相位延迟或极化旋转，在极化转换效率、极化调制/隔离、相移控制、插入损耗和集成度等方面无法满足太赫兹应用集成系统的要求，是制约太赫兹技术应用的主要技术瓶颈之一。超表面(Matesurface)作为超薄亚波长厚度的平面超材料，具有高旋光性、电磁隧道效应、Casimir斥力、不需外加磁场和高集成度的优势。若引入手征结构设计，将实现超强极化旋转(石英晶体的100000倍)、非对称透射、高极化转换效率、高品质因数和负折射率等特性，并且具有设计灵活、结构简单、高度集成等优点，极大地突破了传统电磁波极化调控器件的限制。然而现代通信技术的高速发展，保密通信等技术要求信号的传输过程中电磁波的极化特性可实时改变。这就要求了设计出射波的极化可以动态调控的电磁辐射器件。二氧化钒是具有绝缘体—金属态相变特性的金属氧化物,在温度68℃下会从单斜绝缘体态向四方金属态转变,其电阻率变化会有2—4个数量级的变化,其介电常数、磁导率等参数,以及微波、光学甚至太赫兹波特性都会随着相变过程发生显著变化。将二氧化钒嵌入到超材料的结构中，利用温度控制改变其相移特性，可以实现太赫兹波的动态极化调控。
2015年TLv等人提出了一种新型的热开关来控制基于相变的THz波传播(TTLv，LiZ，Sun B，etal.Chiral metamaterial with VO2inclusions for thermallymanipulating cross-polarization[J].Applied Optics&Photonics China,2015,9673)创建了一个超薄超材料，其由掺有二氧化钒的90°扭转E型谐振器的阵列组成，实现了热控交叉极化转换，但该结构仅仅实现了交叉极化透射系数幅值的调制，这也限制了该结构的使用范围，并且转化效率还有待进一步的提高。2016年，D.C.Wang等人在超表面SRR结构中嵌入VO2材料(D.C.Wang,L.C.Zhang,Y.D.Gong,L.K.Jian,T.Venkatesan,C.W.Qiu,M.H.Hong,Multiband SwitchableTerahertz Quarter-Wave Plates via Phase-ChangeMetasurfaces,IEEE PhotonicsJournal,8(1):5500308,2016.)实现了太赫兹多频段的线极化到圆极化转换的动态调节，但其转换效率和频率调谐范围还有待提高。在本专利采用VO2与手征结构共形的新型设计，并通过温度控制VO2相变，在0.416THz处的具有超过99.1％的90°线极化转换调制深度和在0.393THz和0.437THz下具有椭圆率接近于-1和1的双频带线极化到圆极化转换，实现将入射的线极化波转化为不同旋向的圆极化波。本专利所述结构与现有技术相比，使用了亚波长复合手征结构，而且不再是单一的实现线极化的转化或单一线极化到圆极化的转化或者仅仅只实现调制作用，并且本发明动态调节范围大、转化效率高、结构简单易于制作。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、尺寸小、调控方便、易加工、损耗小的动态太赫兹反射式极化调控器件。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，超表面太赫兹动态反射式极化调制器，包括极化结构单元，所述极化结构单元包括衬底介质基片以及设置于衬底介质基片正面的正面谐振结构和设置于介质基片反面的反面谐振结构，其特征在于，正面谐振结构与反面谐振结构结构相同且互为90°共轭；
所述正面谐振结构包括下述各边：
设置于第一象限右方的第一金属边，
设置于第二象限上方的第二金属边，
设置于第二象限左方的第一金属氧化物边，
设置于第三象限左方的第四金属边，
设置于第四象限下方的第五金属边，
设置于第四象限右方的第二金属氧化物边；
以上各边在衬底介质基板上的投影皆为直角梯形，各直角梯形的斜腰均指向对称中心区域，且均具有一个平行于x轴的直角边。
所述金属氧化物边的材质为二氧化钒。
第一金属边、第二金属边、第一金属氧化物边、第四金属边、第五金属边、第二金属氧化物边在衬底介质基板上的投影皆为具有一个45°角的直角梯形。
本发明的超表面太赫兹动态反射式极化调制器包括M×N个极化结构单元，极化结构单元按照M×N阵列排布，M和N均为大于或等于40的整数。
所述衬底介质基片采用PET材料，介电常数为2.43，磁导率为1，损耗正切为0.001。
本发明与现有技术相比，具有以下的主要的优点：
1.本发明使用亚波长复合手征结构，通过改变介质结构的尺寸、形状和排列方式，实现超薄尺度下的电磁波极化调控。
2.本发明在电场方向平行于极化器横向边长的线极化波沿着垂直于正方形介质基板所在的平面入射的情况下，在谐振频率处，达到了99.1％的90度线极化调制深度。而且，获得了在0.393THz和0.437THz下椭圆率接近于1的双频段线极化波转化为不同旋向的圆极化波，与现有的技术相比具有更多的工作频点，而且通过热控制实现了动态极化调制。
附图说明
图1为本本发明的三维结构示意图；
图2为双层金属及二氧化钒手征结构的单个谐振单元结构示意图；
图3为双层金属及二氧化钒手征结构的单个谐振单元结构正视图；
图4为温度为400K时本发明的表面电流仿真图；
图5为温度为353K时本发明的表面电流仿真图；
图6为单元极化转化率(polarization conversion ratio)仿真结果图。
图7为交叉极化反射频谱仿真结果图。
图8为单元椭圆度曲线图。
具体实施方式
解释：直角梯形由4条边构成，包括顶、底和两条腰，两条腰中有一条与底的夹角不垂直，表现为“倾斜”状态，本文将其称为斜腰。
本发明主要通过将人工微结构和相变材料相结合，通过热控制相变材料，实现了动态调制。不同于传统反射式手征结构极化器，本发明的极化器并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。
本发明克服了现有极化器结构复杂、损耗高、体积较大等不足，提出的人工电磁结构的动态极化转化器件具有高性能，转换后的极化波应具有较高的极化隔离度，即极化转换率高，接近所需要的极化状态；可调控，该极化器具有超过99.1％的90°线极化转换调制深度；双频带，可以在两个频点处实现线极化波转化为不同旋向的圆极化波，且结构简单，易于制作。
本发明由单元结构周期性排列而成，每个周期性结构包括：衬底介质基片1、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。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。
正面谐振结构包括卍字形金属板2、VO2条3和4，反面谐振结构为卍字形金属板5、VO2条6和7，分别排布在介质基片1的正反两面，正反面结构互为90°共轭。以上各金属板金属边和VO2在衬底介质基板上的投影皆为直角梯形，其斜腰均指向对称中心区域，且各金属边和VO2边均具有一个平行于x轴的直角边。金属边与VO2条皆具有一个45°的斜切角，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。
从垂直于正方形介质基板所在平面的方向看，每个周期中，上端的两块VO2条3和4以及金属板2位于正方形介质板的正面，而下方的两块VO2条6和7以及金属板5位于正方形介质板背面，且两侧的金属板2和5的尺寸相同，四块VO2条3、4、6和7尺寸相同。
所述衬底介质基片采用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。极化旋转的物理机理如图4和图5所示。如图4所示，当温度为400K时，平面波垂直入射手征超表面时，电场极化沿x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x方向，也有与之垂直的y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y方向激励电场，从而产生强电磁交叉耦合。如图5所示为当温度为353K时，交叉极化转换的场分布效果，当x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y方向转换为x方向，而反射的电场已经转换为y方向极化，表明极化器具有90度线极化旋转的功能。除此之外，由于二氧化钒不同温度下电导率不同，则趋肤效应的程度不同，由图可以看出不同温度下表面电流稀疏程度不同，进而电磁耦合程度不同，则极化转化的程度不同，从而实现了极化转化的动态调制，如图6所示，为不同温度下，极化转化率的仿真结果图，在温度为400K时，0.416THz时，极化转化率超过92％，几乎实现了一个近完美的90度线极化转换。图7所示为，不同温度下的交叉极化反射频谱仿真图，在0.416THz调制深度达到99.1％。所述的周期性排列的金属谐振结构，当温度为400K时，在0.393和0.434THz实现了线极化到圆极化的转换。通过热控制VO2，在353K和342K也实现了双频带线极化到圆极化转换，在这些频点，实现输出为左旋或者右旋极化波，并且不同温度谐振频点不同，因此不仅实现线极化到圆极化的转换，而且还实现了频移。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。
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1和图2所示的三维结构，图1、2中的衬底介质基板以金属手征结构之间的透明部分表示。正反表面的两层金属手征结构表面层2和5、VO2条3、4、6和7、衬底介质基片1(以图中2、5之间的透明部分表示)；两层金属手征结构和VO2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。上下层金属手征结构和二氧化钒条表面层的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)谐振单元包括一个卍型的金属结构和两条VO2块，短边的端面均采用45度斜切形式，VO2块与金属板45度斜切端面构成的开口宽度为g；卐形金属结构的长边长度为b，短边长度为线宽为w，VO2条的长边长度为线宽为w。所述金属手征结构表面层下层(透射输出端)谐振单元为卍形金属结构5和VO2条6、7。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。极化旋转的物理机理如图4和图5所示。如图4所示，当温度为400K时，平面波垂直入射手征超表面时，电场极化沿x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x方向，也有与之垂直的y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y方向激励电场，从而产生强电磁交叉耦合。如图5所示为当温度为353K时，交叉极化转换的场分布效果，当x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y方向转换为x方向，而反射的电场已经转换为y方向极化，表明极化器具有90度极化旋转的功能。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。
动态调制的物理机制：
将人工微结构与VO2相结合形成了一种动态可调的反射单元结构。如表1所示，为不同温度下，VO2的电导率变化情况，通过温度控制，实现嵌入超表面结构的VO2块具有不同的状态。如图4和图5所示，根据表面电流的疏密程度可以判断出极化程度的强弱，由于二氧化钒不同温度下电导率不同，则趋肤效应的程度不同，进而电磁耦合程度不同，从而实现了极化转化的调制效果，如图6和图7所示，为不同温度下，极化转化率和交叉极化反射频谱的仿真结果图，更进一步的证明了该结构的动态调制效果。如图7所示，在0.416THz调制深度达到99.1％。如图8所示，所述的周期性排列的金属谐振结构，当温度为400K时，在0.393和0.434THz还实现了线极化到圆极化的转换。通过热控制VO2，在353K和342K也实现了双频带线极化到圆极化转换，在这些频点，实现输出为左旋或者右旋极化波，并且不同温度谐振频点不同，因此不仅实现线极化到圆极化的转换，而且还实现了频移。
表1
温度(K) 电导率(S/m)
313 130
333 820
340 2.17×104
342 1.58×105
353 2.12×105
400 5.0×105
实施例
一种基于超表面的动态可调太赫兹反射式极化转化器，如图1和图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，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；
参见图3，超表面太赫兹动态反射式极化调制器的极化结构单元包括衬底介质基片以及设置于衬底介质基片正面的正面谐振结构和设置于介质基片反面的反面谐振结构，正面谐振结构与反面谐振结构结构相同且互为90°共轭；
所述正面谐振结构包括下述各边：
设置于第一象限右方的第一金属边L1，
设置于第二象限上方的第二金属边L2，
设置于第二象限左方的第一金属氧化物边3，
设置于第三象限左方的第四金属边L4，
设置于第四象限下方的第五金属边L5，
设置于第四象限右方的第二金属氧化物边4；
以上各边在衬底介质基板上的投影皆为直角梯形，各直角梯形的斜腰均指向对称中心区域，且均具有一个平行于x轴的直角边。
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损耗使用Drude模型的表面阻抗进行描述，厚度为h。
图3中的结构参数为：d＝160μm，h＝500nm，a＝176μm，b＝160μm,w＝10μm，g＝10μm，α＝45°。
图6和图7所示为本发明的基于超表面动态调制太赫兹反射式极化转化器极化转化率和交叉极化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6所示，当线极化入射波垂直入射时，温度为400K时，在频率为0.416THz时，PCR超过92％表明极化转换后的反射波具有很高的纯度；随着温度的降低，电导率也逐渐变小，极化转化率也逐渐变小。特别是，当二氧化钒由金属态转变为绝缘态时，基本不再有极化转化的效果。图7所示为，不同温度下的交叉极化反射频谱仿真图，在0.416THz调制深度达到99.1％。
图8所示为本发明的基于超表面动态调制太赫兹反射式极化转化器的椭圆度仿真结果图，所述的周期性排列的金属谐振结构，在线极化入射波垂直入射时，当温度为400K时，在0.393和0.434THz实现了线极化到圆极化的转换。通过热控制VO2，在353K和342K也实现了双频带线极化到圆极化转换，在这些频点，实现输出为左旋或者右旋极化波，并且不同温度谐振频点不同，因此不仅实现了线极化到圆极化的双频带转换，而且还实现了频移。
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。
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 (6)

1.超表面太赫兹动态反射式极化调制器，包括极化结构单元，所述极化结构单元包括衬底介质基片以及设置于衬底介质基片正面的正面谐振结构和设置于介质基片反面的反面谐振结构，其特征在于，正面谐振结构与反面谐振结构结构相同且互为90°共轭；
所述正面谐振结构包括下述各边：
设置于第一象限右方的第一金属边(L1)，
设置于第二象限上方的第二金属边(L2)，
设置于第二象限左方的第一金属氧化物边(3)，
设置于第三象限左方的第四金属边(L4)，
设置于第四象限下方的第五金属边(L5)，
设置于第四象限右方的第二金属氧化物边(4)；
以上各边在衬底介质基板上的投影皆为直角梯形，各直角梯形的斜腰均指向对称中心区域，且均具有一个平行于x轴的直角边。
2.如权利要求1所述的超表面太赫兹动态反射式极化调制器，其特征在于，所述金属氧化物边的材质为二氧化钒。
3.如权利要求2所述的超表面太赫兹动态反射式极化调制器，其特征在于，
第一金属边(L1)、第二金属边(L2)、第一金属氧化物边(3)、第四金属边(L4)、第五金属边(L5)、第二金属氧化物边(4)在衬底介质基板上的投影皆为具有一个45°角的直角梯形。
4.如权利要求2所述的超表面太赫兹动态反射式极化调制器，其特征在于，包括M×N个极化结构单元，极化结构单元按照M×N阵列排布，M和N均为大于或等于40的整数。
5.如权利要求2所述的超表面太赫兹动态反射式极化调制器，其特征在于，所述衬底介质基片采用PET材料，介电常数为2.43，磁导率为1，损耗正切为0.001。
6.如权利要求2所述的超表面太赫兹动态反射式极化调制器，其特征在于，正面谐振结构为中心旋转对称结构。
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