CN107765450A - 基于超材料的宽带太赫兹线极化波非对称传输器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超材料的宽带太赫兹线极化波非对称传输器件，属于电磁波的传输控制器件领域。本发明包括若干在xy平面上沿同一个方向周期排列的基本单元；每个基本单元包括按顺序排列的五层结构，从上到下依次为：介质层1‑金属层2‑介质层3‑金属层4‑介质层5；介质层3厚度一般远大于介质层1和5的厚度；金属层2和金属层4是通过光刻或电子束曝光等技术在介质层3两侧构成的金属图形；金属层4构成的图形由金属层2的图形沿轴线旋转90°或镜像对称得到。上下层的介质层薄膜可用于保护金属层的磨损和器件的稳定。本发明结构简单、易于制备，有效实现了宽带太赫兹线偏振转换的单向传输，对太赫兹功能器件的发展具有重要意义。

Description

基于超材料的宽带太赫兹线极化波非对称传输器件

技术领域

本发明属于电磁波的传输控制器件领域，具体是基于超材料的宽带太赫兹线极化波非对称传输器件。

背景技术

太赫兹(THz)波通常是指频率在0.3～3THz(或波长在0.1～1mm)的电磁波，处于微波毫米波与红外线光学之间，是电子学与光子学之间的过渡区，也是宏观电磁理论向微观量子理论过渡的区域。太赫兹波在物理、化学和生命科学等基础研究学科以及医学成像、安全检查、产品检测、空间通信和武器制导等应用学科都具有重要的研究价值和应用前景，受到世界各国的关注。但是，由于常规材料很难在太赫兹波段发生电磁响应，特别是磁响应，太赫兹波段范围内的科学研究和技术应用上的空白点很多。

近年来，超材料(Metamaterials)的出现为太赫兹技术的发展和应用提供了可行性。超材料是指电磁参数(介电常数和磁导率)可人为设计控制的一类人工复合的周期电磁结构。2000年，美国加利福利亚大学的D.R.Smith等人将金属线周期结构和开口谐振环周期结构有效地结合起来，设计出等效介电常数和磁导率同时为负的材料，第一次从实验上证明了超材料的存在。因超材料具备自然界材料所没有的奇异电磁参数和电磁特性，近年来在科研界甚至是工业界获得了广泛关注和研究。

电磁波的非对称传输(asymmetric transmission，AT)是指传输媒质对沿不同传播方向入射的电磁波表现出不同的传输性能。其中，传输性能包括但不局限于透射、反射、吸收、极化转换等。基于超材料的非对称传输器件为电磁波偏振传输的方向调控提供了新的途径。在现代军事、通讯等领域中，很多传统或基础元器件，如天线罩、电磁波隔离器和环形器等，都依赖于某种非对称传输的性能进行工作。并且随着微波通讯、光通讯等领域的飞速发展，一些特定场合对实现非对称传输的电磁器件有着越来越大的需求。

但是，基于超材料的非对称传输器件，国内外的研究主要集中在微波波段，而有关太赫兹波段的非对称传输器件研究较少。2012年，史金辉等首次提出了两种窄带的太赫兹超材料非对称传输器件，一种是双层连续U形结构，一种是由L形和直线条构成的结构。这两种结构分别在2.9THz和2.4THz附件实现了非对称传输，对应的最高通过率分别为90％和55％。随后，2015年D.Liu等(Applied Physics A,2015,118(3):787-791)将U形谐振图形的金属薄膜去掉构成金属-介质-金属结构，实现了0.88THz和1.03THz双频带线极化波的非对称传输，非对称传输效率为50％。2017年，S.Fang等(Journal of applied physics,2017,121:033103)提出了介质-金属-介质-金属-介质构成的双波段非对称太赫兹传输器件，其中金属材料为金，介质为聚酰亚胺；金属图形为U形折线结构，其中，第二层金属图形是由第一层金属结构沿轴线旋转90°构成的。该结构实现了0.51THz和0.81THz的双波段的窄带非对称传输，非对称传输效率为分别为62％和60％；研究表明模拟和测试基本一致。

发明内容

本发明针对现有技术中对太赫兹频段线极化波的非对称传输研究较少，特别是宽频带结构，导致了太赫兹非对称传输器件较少的问题，提出了基于超材料的宽带太赫兹线极化波非对称传输器件。

所述非对称传输器件包括若干在xy平面上沿同一个方向周期排列的基本单元；

每个基本单元包括按顺序排列的五层结构，从上到下依次为：介质层1-金属层2-介质层3-金属层4-介质层5；

三层介质层由有机高分子聚合薄膜材料或氧化硅构成，厚度为微米量级。每层介质层的材料相同或者不同；其中介质层3厚度一般远大于介质层1和5的厚度，通常为同一种材料；介质层1和介质层5主要有两个作用，一是为了加工方便，二是为了保护金属层。

金属层选用金、银或铝等常见金属薄膜，其厚度通常大于150nm以上。

其中金属层2和金属层4是通过光刻或电子束曝光等技术在介质层3两侧构成的金属图形；金属层4构成的图形由金属层2的图形沿轴线旋转90°或镜像对称得到。

所述非对称传输器件工作在太赫兹波段，具体工作过程如下：

首先，设置xyz坐标系，超材料在xy平面周期排列，z轴垂直于非对称传输器的表面。

然后，一束x方向偏振的线偏振光沿z轴正向垂直入射到非对称传输器的表面后，由于超材料的作用，大部分透射光为y偏振光；这样，入射的x极化波基本被转换为y极化波；

反之，当x方向偏振的线偏振光沿z轴负向入射时，大部分x方向偏振光被反射或吸收，转换为y偏振的透射光很少；这样，入射的x极化波基本没有转换为y极化波。

将正向和反向入射的器件的x方向偏振的极化转换特性相比，该结构实现了电磁波的非对称传输。

本发明的优点在于：

1)、本发明基于超材料的宽带太赫兹线极化波非对称传输器件，可以有效地实现太赫兹线偏振转换的单向传输，对太赫兹功能器件的发展具有重要意义。

2)、本发明基于超材料的宽带太赫兹线极化波非对称传输器件，结构简单、易于制备。

3)、本发明基于超材料的宽带太赫兹线极化波非对称传输器件，可在宽频带范围内实现线极化波的单向传输。

4)、本发明基于超材料的宽带太赫兹线极化波非对称传输器件，加工时采用中心可去掉的基底结构，保持器件不易变形。此外，该非对称传输器件上下层的介质层薄膜可用于保护金属层的磨损和器件的稳定。

附图说明

图1a是本发明第一种非对称传输器件的周期单元的侧视图；

图1b是本发明第一种非对称传输器件的周期单元的三维分离式立体图；

图1c是本发明第一种非对称传输器件的周期单元的金属层和介质层的基本结构参数图；

图2a是本发明第一种非对称传输器件中电磁波沿z轴正向入射的工作原理图；

图2b是本发明第一种非对称传输器件中电磁波沿z轴负向入射的工作原理图；

图3是本发明第一种非对称传输器件中太赫兹波非对称传输的透射率曲线图；

图4a是本发明第二种非对称传输器件的周期单元的侧视图；

图4b是本发明第二种非对称传输器件的周期单元的三维分离式立体图；

图4c是本发明第二种非对称传输器件的周期单元的金属层和介质层的基本结构参数图；

图5a是本发明第二种非对称传输器件中电磁波沿z轴正向入射的工作原理图；

图5b是本发明第二种非对称传输器件中电磁波沿z轴负向入射的工作原理图；

图6是本发明第二种非对称传输器件中太赫兹波非对称传输的透射率曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的两种实施方法进行详细说明。

本发明公开了一种基于超材料的宽带太赫兹线极化波非对称传输器件，所述的非对称传输器件为周期结构，包括至少20*20个基本单元。所有基本单元结构均相同，且在xy平面上沿同一个方向周期排列；每个基本单元的长度在几百微米量级范围；本发明中两种实施模型周期的均取p＝125um，而实际上，其周期范围可选取在50～500um范围内。

第一种实施方式的基本单元侧视图如图1a所示，结构图如图1b所示，该基本单元由三层介质层和两层金属层组成；介质层与金属层交叉放置，形成从上而下按顺序分布的：介质层1-金属层2-介质层3-金属层4-介质层5的结构。

其中，三层介质材料均选取聚酰亚胺，其介电常数为3，损耗角正切为0.008。介质层3的厚度取d＝20um，介质层1和介质层5厚度取th＝2um。

两层金属层均选用金薄膜，结构是由对边开口方环构成，金属层4是由金属层2沿轴向旋转90°并镜像对称得到；如图1c所示，每层金属层的宽度w＝12.5um，方环边长L＝106.5um，开口长度g＝32.5um，开口距方环内边距离s1＝9.5um，s2＝29.5um。每层金属层的厚度相同，均为t＝200nm。

该结构实现过程如下：首先在基底材料200um的硅上镀上th＝2um的聚酰亚胺薄膜，形成介质层5，然后进行光刻形成对边开口的金属方环，形成金属层4。然后，再镀20um厚的聚酰亚胺薄膜，也就是介质层3，在此基础上，将金属层4的图形再次轴向旋转90°并镜像对称光刻形成开口金属方环，即金属层2；在金属层2上，镀上2um的聚酰亚胺薄膜，形成介质层1。最后，去掉200um厚的基底材料，只在结构四周留2mm宽的环形基底固定非对称传输器件。

下面结合附图进一步说明第一种实施例宽带太赫兹非对称传输器AS-1实施方案的具体工作过程。

首先设置一个xyz坐标系，周期表面位于xy轴，z轴垂直于非对称传输器的周期表面。当电磁波沿z轴正向传播时，如图2a所示，x线偏振光沿z轴正向垂直入射到非对称传输器的表面后，透射光为y线偏振光当电磁波沿负轴方向传播时，如图2b所示，x线偏振光沿z轴负向垂直入射到非对称传输器的表面后，透射光为y线偏振光

利用微波高频仿真软件HFSS或CST可以直接得到透射率

下标i，j分别代表入射光和透射光的偏振态，上标d代表入射光的波矢方向，沿z轴正向传输为+，沿z轴负向传输则为-。

太赫兹波非对称传输器AS-1的透射曲线如图3所示；可以看出，在0.8THz至1.3THz的之间，与有着显著的差异，大于0.8，而小于0.2。计算得到该非对称传输的相对带宽(带宽/中心频率)为48％，从而实现了超宽带的非对称传输。

第二种实施方式的基本单元侧视图如图4a所示，结构图如图4b所示，正视图为正方形。该基本单元由三层介质层和两层金属层组成；介质层与金属层交叉放置，形成从上而下按顺序分布的：介质层1-金属层2-介质层3-金属层4-介质层5结构。

其中三层介质材料均选取聚酰亚胺，其介电常数为3，损耗角正切为0.008。介质层3的厚度取d＝20um，介质层1和介质层5厚度取th＝2um，该结构的周期单元、材料、介质和金属厚度与第一种实施方式相同。

两层金属层均选用金薄膜，金属层形状像“臼”字，但是沿中心位置左右镜像对称，金属层4的结构是由金属层2沿z轴旋转90°得到。

每个基本单元结构均相同；如图4c所示，金属层宽度w＝14.5um，外边长L＝106.5um，开口长度g1＝20um，g2＝52.5um，开口距方环内边距离m1＝28.75um，m2＝12.5um。

该结构实现过程与第一种实施例相同，只是光刻的金属层图形不同。

下面结合附图进一步说明第二种实施例宽带太赫兹非对称传输器AS-2实施方案的具体工作过程。

首先设置一个xyz坐标系，周期表面位于xy轴，z轴垂直于非对称传输器的周期表面。当电磁波沿z轴正向传播时，如图5a所示，x线偏振光沿z轴正向垂直入射到非对称传输器的表面后，透射光为y线偏振光当电磁波沿负轴方向传播时，如图5b所示，x线偏振光沿z轴负向垂直入射到非对称传输器的表面后，透射光为y线偏振光

利用微波高频仿真软件HFSS或CST可以直接得到透射率

太赫兹波非对称传输器AS-2的透射曲线如图6所示；可以看出，在0.7THz至0.8THz的之间，与有着显著的差异，大于0.8，而接近0。该非对称传输器件的相对带宽(带宽/中心频率)为13％，从而也实现了宽带的非对称传输。

Claims (7)

1.基于超材料的宽带太赫兹线极化波非对称传输器件，其特征在于，包括若干在xy平面上沿同一个方向周期排列的基本单元；

每个基本单元包括按顺序排列的五层结构，从上到下依次为：介质层1-金属层2-介质层3-金属层4-介质层5；

其中金属层2和金属层4是通过光刻或电子束曝光在介质层3两侧构成的金属图形；金属层4构成的图形由金属层2的图形沿轴线旋转90°或镜像对称得到。

2.如权利要求1所述的基于超材料的宽带太赫兹线极化波非对称传输器件，其特征在于，所述的每个基本单元的长度在几百微米量级范围；周期范围在50～500um。

3.如权利要求1所述的基于超材料的宽带太赫兹线极化波非对称传输器件，其特征在于，所述的两层金属层结构为对边开口方环或“臼”字形状。

4.如权利要求1所述的基于超材料的宽带太赫兹线极化波非对称传输器件，其特征在于，所述的介质层1和介质层5有两个作用，一是为了加工方便，二是为了保护金属层。

5.如权利要求1所述的基于超材料的宽带太赫兹线极化波非对称传输器件，其特征在于，所述的三层介质层由有机高分子聚合薄膜材料或氧化硅构成，厚度为微米量级；其中介质层3厚度大于介质层1和介质层5的厚度。

6.如权利要求1所述的基于超材料的宽带太赫兹线极化波非对称传输器件，其特征在于，所述的金属层选用金、银或铝，厚度大于150nm。

7.如权利要求1所述的基于超材料的宽带太赫兹线极化波非对称传输器件，其具体工作过程如下：

首先，设置xyz坐标系，超材料在xy平面周期排列，z轴垂直于非对称传输器的表面；

然后，一束x方向偏振的线偏振光沿z轴正向垂直入射到非对称传输器的表面后，由于超材料的作用，大部分透射光为y偏振光；这样，入射的x极化波基本被转换为y极化波；

反之，当x方向偏振的线偏振光沿z轴负向入射时，大部分x方向偏振光被反射或吸收，转换为y偏振的透射光很少；这样，入射的x极化波基本没有转换为y极化波；

将正向和反向入射的器件的x方向偏振的极化转换特性相比，该结构实现了电磁波的非对称传输。