CN109004371A - 一种基于几何相位的极化敏感太赫兹波反射控制器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于几何相位的极化敏感太赫兹波反射控制器。它由八种超级单元按一定顺序排列而成，其中每种超级单元都由4×4个相同单元结构组成，共有八种单元结构，八种单元结构通过以22.5度旋转角度差旋转基本单元结构的顶层金属结构单元得到，旋转角度范围为0度到157.5度，因此，八种单元结构的几何尺寸大小是完全相同的但相邻单元结构的反射角相位45度。当不同极化的太赫兹波垂直照射到该反射控制器时，其将在不同的方向上产生相同大小相位梯度，因此可以把垂直入射的太赫兹波反射到不同的方向上，实现极化敏感特性。本发明具有控制原理简单新颖、控制效果好等优点。在太赫兹通信、太赫兹反射成像、波束控制等方面具有巨大的潜在应用价值。

Description

一种基于几何相位的极化敏感太赫兹波反射控制器
技术领域
本发明涉及太赫兹波控制领域，尤其涉及一种基于几何相位的极化敏感太赫兹波反射控制器。
背景技术
超材料是由周期或者非周期亚波长结构组成的人工电磁媒介，其具有自然媒质所不具有的独特性质，如负的折射率、负的介电常数等。随着它的出现，很快就成为了科学界研究的热点。利用超材料实现了很多奇异现象，包括奇异反射、隐形斗篷、光学棱镜等。另外随着加工技术的出现，相关的基于超材料的器件也得到了飞速的发展，如吸收器、滤波器、开关、调制器等。但是对于控制太赫兹波反射的相关器件报道甚少。
随着广义菲涅尔定律出现，利用该定律与超材料结合，加速了对太赫兹波控制的研究速度，实现了对太赫兹波幅度、相位等的调制。但是这些器件共同的特点就是只能在单一频点工作或者当超表面结构被设计好之后它将只有单一的固定功能，无法利用一个超表面结构实现多种功能。另外得到不同的单元结构需要不同的单元结构尺寸，这样将会增加加工难度。基于上述缺点，本发明基于几何相位设计了一种通过控制旋转角度而不需要变化单元结构的几何尺寸既能得到不同的单元结构的超材料结构，而且由这些基本单元结构组成的反射控制器具有极化敏感特性，用同一个反射控制器就可实现使不同极化太赫兹波像不同方向反射的功能。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，提供一种超表面结构，使其能对反射太赫兹波实现极化敏感多角度反射。为了达到此目的，采用的技术方案如下：
基于几何相位的极化敏感太赫兹波反射控制器，它由八种超级单元按一定顺序排列而成，其中每种超级单元都由4×4个相同单元结构组成，共有八种单元结构，八种单元结构通过以22.5度旋转角度差旋转基本单元结构的顶层金属结构单元得到，旋转角度范围为0度到157.5度，因此，八种单元结构的几何尺寸大小是完全相同的但相邻单元结构的反射角相位45度；每种单元结构均包括底层金属薄片、中间聚酰亚胺层和顶层金属结构单元，顶层金属结构单元由两个外层大扇形金属块、两个内部小扇形金属块和一个中间矩形金属块组成。
基于上述方案，可进一步采用如下优选方式：
所述底层金属薄片为边长为59~60μm，厚度为0.2μm，电导率为5.96×107S/m的正方形铜片。所述中间聚酰亚胺层的边长为59~60μm，厚度为28~30μm,介电常数为3.0，损耗角正切为0.03。所述组成顶层金属结构单元的两个外层大扇形金属块的几何尺寸相同，其中外半径R1为23~25μm，内半径R3为18~20μm，所述组成顶层金属结构单元两个内部小扇形金属块的外边缘到反射控制器几何中心的距离为R3为13~15μm且两个内部小扇形金属块之间的垂直距离为L=12~14μm。所述组成顶层金属结构单元的中间矩形金属块的宽度为5μm且与两个外层大扇形金属块相连接。
本发明具有控制原理简单新颖、控制效果好等优点；在太赫兹通信、太赫兹反射成像、波束控制等方面具有巨大的潜在应用价值。
附图说明
图1是基本单元结构三维示意图；
图2是基本单元结构在左圆极化波照射下的主极化的交叉极化反射幅度；
图3是基本单元结构在右圆极化波照射下的主极化的交叉极化反射幅度；
图4是基本单元结构旋转示意图；
图5是八种单元结构的反射幅度；
图6是八种单元结构的反射相位；
图7是极化敏感太赫兹波反射控制器俯视图；
图8是不同极化下，极化敏感太赫兹波反射控制器对频率为1THz的太赫兹波垂直入射的的仿真结果图；其中：(a) 为左圆极化波下的3D远场仿真结果图；(b) 为右圆极化波下的3D远场仿真结果图；(c) 为线极化波下的3D远场仿真结果图；
图9是图8对应的二维仿真结果图；其中：(a) 为左圆极化波下的2D远场仿真结果图；(b) 为右圆极化波下的2D远场仿真结果图；(c) 为线极化波下的2D远场仿真结果图。
具体实施方式
如图1、图4和图7所示，一种基于几何相位的极化敏感太赫兹波反射控制器，它由八种超级单元按一定顺序排列而成，其中每种超级单元都由4×4个相同单元结构组成，共有八种单元结构，八种单元结构通过以22.5度旋转角度差旋转基本单元结构的顶层金属结构单元得到，旋转角度范围为0度到157.5度，因此，八种单元结构的几何尺寸大小是完全相同的但相邻单元结构的反射角相位45度；每种单元结构均包括底层金属薄片1、中间聚酰亚胺层2和顶层金属结构单元3，顶层金属结构单元3由两个外层大扇形金属块、两个内部小扇形金属块和一个中间矩形金属块组成。当不同极化的太赫兹波垂直照射到该反射控制器时，其将在不同的方向上产生相同大小相位梯度，因此可以把垂直入射的太赫兹波反射到不同的方向上，实现极化敏感特性。
实施例1
本实施例中，一种基于几何相位的极化敏感太赫兹波反射控制器的结构如前所述（图1、图4和图7），不再赘述。但本实施例中，各部件的具体参数如下：底层金属薄片边长为60μm，厚度为0.2μm，电导率为5.96×107S/m；中间聚酰亚胺层边长为60μm，厚度为0μm，介电常数为3.0，损耗角正切为0.03；顶层金属结构单元的两个外层大扇形金属块的几何尺寸相同，其中外半径R1为25μm，内半径R3为120μm；两个内部小扇形金属块的外边缘到反射控制器几何中心的距离为R3为15μm且两个内部小扇形金属块之间的垂直距离为L为14μm；中间矩形金属块的宽度为5μm且与两个外层大扇形金属块相连接。该极化敏感太赫兹波反射控制器的仿真结果图如附图8和图9所示。由图8和9可以看出，对于同一个反射控制器，当入射波为不同极化时，太赫兹波被反射到了不同的方向；当入射波为左圆极化波时，太赫兹被被反射到三个方向，反射角分别为(θ=9°，φ=90°)，(θ=24.6°，φ=20.6°)，(θ 3=24.6°，φ=159.4°)；而当入射波为右圆极化波时，太赫兹被被反射到另外三个方向，反射角分别为（θ=9，φ= 270°)，(θ=24.6°，φ=200.6°)和(θ=24.6°，φ=339.4°)；当入射波为线极化波时，此时太赫兹被被反射到六个方向；因此，实现了对太赫兹反射的极化敏感控制特性。

Claims (6)

1.一种基于几何相位的极化敏感太赫兹波反射控制器，其特征在于它由八种超级单元按一定顺序排列而成，其中每种超级单元都由4×4个相同单元结构组成，共有八种单元结构，八种单元结构通过以22.5度旋转角度差旋转基本单元结构的顶层金属结构单元得到，旋转角度范围为0度到157.5度，因此，八种单元结构的几何尺寸大小是完全相同的但相邻单元结构的反射角相位45度；每种单元结构均包括底层金属薄片（1）、中间聚酰亚胺层（2）和顶层金属结构单元（3），顶层金属结构单元（3）由两个外层大扇形金属块、两个内部小扇形金属块和一个中间矩形金属块组成。
2.根据权利要求所述的一种基于几何相位的极化敏感太赫兹波反射控制器，其特征在于所述底层金属薄片（1）为边长为59~60μm，厚度为0.2μm，电导率为5.96×107S/m的正方形铜片。
3.根据权利要求所述的一种基于几何相位的极化敏感太赫兹波反射控制器，其特征在于所述中间聚酰亚胺层（2）的边长为59~60μm，厚度为28~30μm,介电常数为3.0，损耗角正切为0.03。
4.根据权利要求所述的一种基于几何相位的极化敏感太赫兹波反射控制器，其特征在于所述组成顶层金属结构单元（3）的两个外层大扇形金属块的几何尺寸相同，其中外半径R1为23~25μm，内半径R3为18~20μm。
5.根据权利要求所述的一种基于几何相位的极化敏感太赫兹波反射控制器，其特征在于所述组成顶层金属结构单元（3）两个内部小扇形金属块的外边缘到反射控制器几何中心的距离为R3为13~15μm且两个内部小扇形金属块之间的垂直距离为L=12~14μm。
6.根据权利要求所述的一种基于几何相位的极化敏感太赫兹波反射控制器，其特征在于所述组成顶层金属结构单元（3）的中间矩形金属块的宽度为5μm且与两个外层大扇形金属块相连接。
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