CN109212651A - 一种基于Mylar的太赫兹波段的半波片 - Google Patents

一种基于Mylar的太赫兹波段的半波片 Download PDF

Info

Publication number
CN109212651A
CN109212651A CN201811105263.3A CN201811105263A CN109212651A CN 109212651 A CN109212651 A CN 109212651A CN 201811105263 A CN201811105263 A CN 201811105263A CN 109212651 A CN109212651 A CN 109212651A
Authority
CN
China
Prior art keywords
wave plate
wave
mylar
metal layer
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201811105263.3A
Other languages
English (en)
Inventor
肖诗逸
郑文琳
李秋实
杨博文
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Shanghai for Science and Technology
Original Assignee
University of Shanghai for Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Shanghai for Science and Technology filed Critical University of Shanghai for Science and Technology
Priority to CN201811105263.3A priority Critical patent/CN109212651A/zh
Publication of CN109212651A publication Critical patent/CN109212651A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/30—Polarising elements
    • G02B5/3083—Birefringent or phase retarding elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/14—Reflecting surfaces; Equivalent structures
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/24—Polarising devices; Polarisation filters 

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Aerials With Secondary Devices (AREA)

Abstract

本发明涉及一种基于Mylar的太赫兹波段的半波片，属于电磁波偏振调控技术领域。由若干结构单元依次组合而成，其中，每个结构单元均采用电磁超材料表面，具体结构组成由下到上依次为：反射金属层，介质层，长条型金属结构层；层与层之间直接堆叠；其中，所述长条型金属结构层的长度和宽度分别调控半波片的共振频率和品质因子。对于频率范围内垂直入射的平面线偏振电磁波，其反射波以超过90%的效率产生90度极化偏转，且整体能量损耗很小，在较宽频带范围内达到超高的极化偏转效率。而且本发明加工过程简单，价格便宜，更适合推广使用。用户可以根据自己的需要制作相应结构波片，另外，可以通过等比例放大缩放结构尺寸来改变波片工作频率。

Description

一种基于Mylar的太赫兹波段的半波片
技术领域
本发明属于电磁波偏振调控技术领域，具体涉及一种基于Mylar的太赫兹波段的半波片。
背景技术
太赫兹技术由于其在安全检测、物质鉴别、医学成像以及无线宽带通信等领域的应用前景，现如今已逐渐成为近年来的研究热点。然而由于太赫兹波段独特的频率范围，早期自然界中几乎没有对太赫兹波具有理想电磁响应的物质，所以大部分太赫兹波段的功能器件如发射源、探测器、偏振器、波片等发展的一直比较缓慢。然而这些功能器件都是太赫兹技术应用中的重要组成部分，这使得太赫兹技术的发展受到了阻碍，所以太赫兹波段一直被称为“太赫兹空白”，也就是技术发展中的空白部分。为解决太赫兹波段功能材料缺乏的问题，科学家们开始构建一种新型的人工复合材料，我们称之为“电磁超材料”，其具有天然材料所不具备的超常物理性质，且可以容易的通过人工调制。简单的说，常规材料是由其分子或原子构成的，而分子和原子对外界电磁波的响应决定了这个材料的电磁性质，而超材料通过构造共振结构产生人工的电磁分子原子，来构成材料的单元结构，由于人工原子以及排列方式可以任意设计，使得电磁超材料在不同频段具有自然材料所不具备的奇异物理特性，这样的材料便能依据需求设计出不同的性质。“超材料表面”为一种常用的电磁超材料，一般通过层状堆叠构成。由于多层之间的相互作用，从而产生强烈的磁共振，通过调控参数可以使得在共振点附近产生强烈的相位变化或者吸收，在相位调控或者吸收中有很广泛的应用。
另一方面，人们知道传统意义上的波片一般由各向异性材料如双折射晶体构成，在不同偏振方向上的分量具有不同的折射率，从而可以通过结构的尺寸调控出射波中的不同偏振分量的相位变化，达到对总的出射电磁波的偏振调控。此外，由于传统的调控通过对介质内部传播相位的调控来实现，对于不同的频率，对于自然材料，很难做到折射率的差值和频率变化恰好匹配，因而一般来说，传统的波片一般为单频或者窄频。但是对于由“人工原子”构成的超材料，尤其是“超材料表面”，很容易在很薄的空间尺度上通过共振产生强烈的相位变化，且对于不同的“晶向”上其调控几乎不相关。这样，通过各向异性的结构设计，控制不同“晶向”上的共振频率和品质因子，可以容易的实现在宽频内对于不同偏振方向的相位调控，达到宽频的90度极化偏转。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于Mylar的太赫兹波段的半波片。其在宽频带范围内效率高、反射波能量损失小，加工简单，价格便宜。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于Mylar的太赫兹波段的半波片，由若干结构单元依次组合而成，其中，每个结构单元均采用电磁超材料表面，具体结构组成由下到上依次为：反射金属层，介质层，长条型金属结构层；层与层之间直接堆叠；其中，所述长条型金属结构层的长度和宽度分别调控半波片的共振频率和品质因子。
半波片的结构单元几何结构参数为：长条型金属结构层的长度为130-150um，宽度为50-70um；介质层厚度为40-60um；反射金属层厚度为30nm~100nm。
所述反射金属层的材料为金、银或铜。所述介质层的材料为Mylar。所述长条型金属结构层的材料为金、银或铜。
与现有技术相比，本发明具有如下的优点：
本发明基于Mylar的太赫兹波段的半波片，根据不同的设计对0.4THZ到0.6THZ的线偏振电磁波入射，其反射波极化方向产生90度的偏转，在宽频带范围内效率超过90%。同时，在工作范围内反射波能量损失很小，一般不超过10%。此外，原则上根据标度变换理论，可以通过自然的缩放实现不同频率的设计。
本发明基于Mylar的太赫兹波段的半波片是一种各向异性的反射系统，对于一束垂直入射的线偏振电磁波，其x、y两个分量上分别由不同共振进行调控，对于不同方向上的共振，其共振频率不同，共振品质因子经过计算优化，从而导致在宽频带范围（一般为不同方向的共振点之间）内其相位差值在180度附近震荡，从而在宽频带范围内得到较高的极化转变率。本发明通过确定的不同的实验参数制备样品，可用于对于线偏振电磁波进行不同的调控。
附图说明
图1为本发明半波片结构示意图。
图2为本发明宽频半波片的工作示意图。
图3为半波片模拟和实验测量结果的对比：不同频率下体系的PCR效率。参数说明：PCR效率为特定入射波达到目标的极化转变的能量对于总出射能量的比值。对于半波片，定义为产生90°偏转的能量除以总的出射能量，100%的转换效率对应于1。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施例做进一步的说明。
如图1所示，一种基于Mylar的太赫兹波段的半波片，由若干结构单元依次组合而成，其中，每个结构单元均采用电磁超材料表面，具体结构组成由下到上依次为：反射金属层3，介质层2，长条型金属结构层1；层与层之间直接堆叠；其中，所述长条型金属结构层1的长度和宽度分别调控半波片的共振频率和品质因子。此半波片是周期性结构，周期性的结构单元如图1（a）所示，结构单元为整个半波片结构中的一个网格，其他的结构单元沿着本单元的长和宽的四面延展如图1（b）。
如图2所示，本实施例中，根据频率和带宽的设计要求，通过调节长条型结构的长度和宽度以及介质层厚度，得到在带宽范围内最接近设计要求的几何结构参数；假设波片为xy平面，平面电磁波从垂直于xy平面的z方向入射，那么调整几何结构参数的原则如下：
1）确定介质层厚度：对于半波片的设计，取介质层2厚度为40-60um，优选介质层2厚度为50um。
2）确定长条型金属结构层1的长度、宽度：设长条型金属结构层1的长度和宽度方向与偏振方向平行，测试长条型金属结构层1不同长度、宽度参数下的反射共振频率与品质因子，对结果进行比较，找到在带宽范围内最接近设计要求相位差与反射率比例的一组参数；然后微调，消除相互间影响造成的偏差，找到在宽带范围内平均效率最优设计参数。对于半波片，其长条型金属结构层1的长度为130-150um，宽度为50-70um，优选长度为140um，宽度为60um。
本发明提供的基于Mylar的太赫兹波段的半波片，其制备过程和测量过程如下：
1）半波片的制备：本实施例中，反射金属层和长条型金属结构层的材料为金。
按照数值模拟优化得到的关于整个体系的参数，运用微纳加工技术制备设计得到的样品。主要制备步骤包括：(1)清洗Mylar，烘干，通过热蒸发蒸镀在其上蒸镀50nm金。(2)将蒸镀有金层的Mylar切片为2cm*2cm大小，将其用胶带固定在硅片上，镀金面朝下。(3)在4000转每分的速度下涂抹光刻胶AZ5214，90℃下烘烤120S。(4)采用UPG501制版机，在每一片样品上直写设计的结构，光刻时间为90ms，显影45s，烘干。(5) 通过热蒸发蒸镀在其上蒸镀50nm金。(6)通过丙酮剥离表面金层，乙醇清洗，烘干。
2）半波片的实验测量：
所谓的调控电磁波的偏振模式，首先确定了入射波的偏振模式，然后做出需要的调控。下面以太赫兹实验为基础，阐述下设计样品的运用。太赫兹实验采用TDS系统，通过超快的PS激光器产生超快的激光脉冲，经过半反半透镜分束。其中一束激光通过光电导天线激发产生太赫兹平面波源，而光电导天线的方向可以确定出射平面波的电场偏振方向，经过测试样品反射后，最终到达探测器；另一束激光通过光路直接激发探测器，并通过一个可移动的反射镜系统调节激光脉冲到达探测器的时间，从而使得探测器可以测量得到不同时刻的太赫兹波信号。
一般来说天线激发的平面波为单一偏振模式的线偏振电磁波。在空间坐标系中，若电磁波沿z轴传播，那么电场只是沿着xy平面内的某个固定方向（系统中为x方向）做线性振荡。现在我们以样品长条所在平面建立xy坐标，保证入射电磁波电场线偏振方向与x轴夹角为45度，测量反射波不同方向上的分量，组合得到反射波的偏振。
对于半波片，反射波x方向和y方向的分量模量在带边有较大损耗，但在工作范围内，其反射率均超过90%，但是y方向相位与x方向相差约为180度，于是反射波偏振偏转90度，如图3所示。
本发明的调控机理完全取决于各向异性单元结构，而与阵列的大小无关，用户完全可以根据各自的需求制作出其他样式的各向异性结构；另外，现在的工作频率在0.4THZ到0.6THz，这个是由单元结构尺寸和介质层厚度决定的，如果用户需要对其他波段内电磁波进行调控，可以直接等比例同时放大或缩小所有尺寸参数，便可以达到同样的效果。

Claims (5)

1.一种基于Mylar的太赫兹波段的半波片，其特征在于，由若干结构单元依次组合而成，其中，每个结构单元均采用电磁超材料表面，具体结构组成由下到上依次为：反射金属层（3），介质层（2），长条型金属结构层（1）；层与层之间直接堆叠；其中，所述长条型金属结构层（1）的长度和宽度分别调控半波片的共振频率和品质因子。
2.根据权利要求1所述的基于Mylar的太赫兹波段的半波片，其特征在于，半波片的结构单元几何结构参数为：长条型金属结构层（1）的长度为130-150um，宽度为50-70um；介质层（2）厚度为40-60um；反射金属层（3）厚度为30nm~100nm。
3.根据权利要求1或2所述的基于Mylar的太赫兹波段的半波片，其特征在于，所述反射金属层（3）的材料为金、银或铜。
4.根据权利要求1或2所述的基于Mylar的太赫兹波段的半波片，其特征在于，所述介质层（2）的材料为Mylar。
5.根据权利要求1或2所述的基于Mylar的太赫兹波段的半波片，其特征在于，所述长条型金属结构层（1）的材料为金、银或铜。
CN201811105263.3A 2018-09-21 2018-09-21 一种基于Mylar的太赫兹波段的半波片 Pending CN109212651A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811105263.3A CN109212651A (zh) 2018-09-21 2018-09-21 一种基于Mylar的太赫兹波段的半波片

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811105263.3A CN109212651A (zh) 2018-09-21 2018-09-21 一种基于Mylar的太赫兹波段的半波片

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN109212651A true CN109212651A (zh) 2019-01-15

Family

ID=64984889

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811105263.3A Pending CN109212651A (zh) 2018-09-21 2018-09-21 一种基于Mylar的太赫兹波段的半波片

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109212651A (zh)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109870824A (zh) * 2019-04-19 2019-06-11 桂林电子科技大学 一种高效的太赫兹超材料线偏振转换器
CN110364822A (zh) * 2019-08-08 2019-10-22 天津职业技术师范大学(中国职业培训指导教师进修中心) 双频c型开口谐振环太赫兹环偶极子超表面及制备方法
CN110416737A (zh) * 2019-07-25 2019-11-05 重庆邮电大学 一种太赫兹超表面分束器
CN110456426A (zh) * 2019-07-31 2019-11-15 天津大学 亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片
CN112305659A (zh) * 2020-10-13 2021-02-02 东北石油大学 基于单层各向异性超材料的宽频带四分之一波片
CN113422196A (zh) * 2021-05-27 2021-09-21 山东师范大学 一种能够产生超窄带宽的太赫兹热辐射源及其工作方法
CN114927878A (zh) * 2022-05-27 2022-08-19 哈尔滨理工大学 一种基于Ni-Mn-Sn形状记忆合金的多功能太赫兹超材料偏振转换器件

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130140327A (ko) * 2012-06-14 2013-12-24 한국과학기술원 이상광투과현상을 이용한 테라헤르츠 파 편광자 및 그 제조방법
CN104538743A (zh) * 2014-12-27 2015-04-22 复旦大学 一种由电磁特异表面构成的宽频THz波片
CN105492937A (zh) * 2013-08-30 2016-04-13 国立研究开发法人科学技术振兴机构 线栅装置
CN106329146A (zh) * 2016-09-09 2017-01-11 电子科技大学 一种柔性太赫兹超材料吸波器及其制作方法
CN106772754A (zh) * 2016-12-21 2017-05-31 南开大学 双层介质‑金属光栅结构的太赫兹波偏振转换与单向传输器件
CN107238885A (zh) * 2017-08-01 2017-10-10 中国科学院半导体研究所 金属超材料波片
CN107589540A (zh) * 2017-10-31 2018-01-16 重庆大学 双折射相位调控超表面结构单元、宽带偏振与相位调控阵列及器件

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130140327A (ko) * 2012-06-14 2013-12-24 한국과학기술원 이상광투과현상을 이용한 테라헤르츠 파 편광자 및 그 제조방법
CN105492937A (zh) * 2013-08-30 2016-04-13 国立研究开发法人科学技术振兴机构 线栅装置
CN104538743A (zh) * 2014-12-27 2015-04-22 复旦大学 一种由电磁特异表面构成的宽频THz波片
CN106329146A (zh) * 2016-09-09 2017-01-11 电子科技大学 一种柔性太赫兹超材料吸波器及其制作方法
CN106772754A (zh) * 2016-12-21 2017-05-31 南开大学 双层介质‑金属光栅结构的太赫兹波偏振转换与单向传输器件
CN107238885A (zh) * 2017-08-01 2017-10-10 中国科学院半导体研究所 金属超材料波片
CN107589540A (zh) * 2017-10-31 2018-01-16 重庆大学 双折射相位调控超表面结构单元、宽带偏振与相位调控阵列及器件

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109870824A (zh) * 2019-04-19 2019-06-11 桂林电子科技大学 一种高效的太赫兹超材料线偏振转换器
CN110416737A (zh) * 2019-07-25 2019-11-05 重庆邮电大学 一种太赫兹超表面分束器
CN110456426A (zh) * 2019-07-31 2019-11-15 天津大学 亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片
CN110364822A (zh) * 2019-08-08 2019-10-22 天津职业技术师范大学(中国职业培训指导教师进修中心) 双频c型开口谐振环太赫兹环偶极子超表面及制备方法
CN112305659A (zh) * 2020-10-13 2021-02-02 东北石油大学 基于单层各向异性超材料的宽频带四分之一波片
CN112305659B (zh) * 2020-10-13 2022-06-17 东北石油大学 基于单层各向异性超材料的宽频带四分之一波片
CN113422196A (zh) * 2021-05-27 2021-09-21 山东师范大学 一种能够产生超窄带宽的太赫兹热辐射源及其工作方法
CN113422196B (zh) * 2021-05-27 2022-06-24 山东师范大学 一种能够产生超窄带宽的太赫兹热辐射源及其工作方法
CN114927878A (zh) * 2022-05-27 2022-08-19 哈尔滨理工大学 一种基于Ni-Mn-Sn形状记忆合金的多功能太赫兹超材料偏振转换器件

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109212651A (zh) 一种基于Mylar的太赫兹波段的半波片
CN104538743B (zh) 一种由电磁特异表面构成的宽频THz波片
Shen et al. Generating millimeter-wave Bessel beam with orbital angular momentum using reflective-type metasurface inherently integrated with source
Donley et al. Double-pass acousto-optic modulator system
CN108063316A (zh) 双开口谐振环阵列超表面太赫兹多谐振反射式极化器
Fang et al. Asymmetric transmission of linearly polarized waves in terahertz chiral metamaterials
CN106450794B (zh) 手征超表面太赫兹反射式90度极化器
CN103645565B (zh) 一种亚波长等离激元偏振转换器
CN106058481A (zh) 基于z型超表面的太赫兹反射式极化转换器
Theuer et al. Flare coupled metal parallel-plate waveguides for high resolution terahertz time-domain spectroscopy
Yepes et al. Perfect non-specular reflection with polarization control by using a locally passive metasurface sheet on a grounded dielectric slab
CN109799556A (zh) 基于掺杂硅光栅阵列的偏振无关宽带吸收器
CN107238885A (zh) 金属超材料波片
Ma et al. Design of multibeam scanning antennas with high gains and low sidelobes using gradient-index metamaterials
CN106842227B (zh) 基于零折射率超材料的精密光学测距方法
Kou et al. Angular selectivity based on odd mode resonance of frequency selective surface
Liu et al. On the uniqueness of virtual substrate for metasurface in a dielectric half-space
Kalaagi et al. Fano resonance based multiple angle retrodirective metasuface
Li et al. Zn2+-Enhanced Lithium Magnesium Molybdate Ultralow Temperature Cofired Ceramics for Terahertz Wavefront Modulation Applications
Koutsos et al. Analysis and efficient design of sub-THz transmitarrays with three anisotropic layers
CN114442206B (zh) 一种基于超表面的近场表面波高效率远场定向辐射耦合器
CN105674889A (zh) 基于光干涉的位移测量方法
CN116222400A (zh) 一种金属膜厚度测量装置和方法
CN211554369U (zh) 一种基于非对称反射型超表面结构的半波片
Wang et al. Acoustic source localization based on acoustic leaky-wave antenna with heterogeneous structure

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20190115