CN109921194A - 一种基于非对称裂缝的宽带太赫兹四分之一波片 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种基于非对称裂缝结构的宽带太赫兹四分之一波片，太赫兹四分之一波片的基本组成单元是正方形周期单元，该正方形周期单元由两个介质层及其中间的金属图案层构成，金属图案由单元中心的十字缝结构和两个矩形金属孔组成。本发明提出的结构具有很强的实用性，与同性能太赫兹四分之一波片相比，结构更加简单，加工可行性得到提高。该太赫兹四分之一波片的工作带宽大，结构简单，作为太赫兹领域的基础功能器件，本发明的太赫兹四分之一波片未来在太赫兹无线通信、太赫兹探测、太赫兹成像等领域具有极大的应用前景。

Description

一种基于非对称裂缝的宽带太赫兹四分之一波片

技术领域

本发明属于太赫兹技术领域，尤其涉及一种太赫兹四分之一波片。

背景技术

“太赫兹”(THz)介于微波频段与红外波频段之间，其主要频率范围为0.1～10THz。与微波通信相比，太赫兹通信具有数据传输率高、容量大、波束窄、方向性好、保密性好、抗干扰能力强、具有等离子体穿透能力等优势，且太赫兹波在大气层外衰减很小，适合卫星间通信、和航天器内部通信等。由于其特殊的性质，太赫兹通信被视为第六代或第七代通讯技术的基础。另外，太赫兹波还在成像、传感等领域具有很大的发展潜力，是未来电磁学的一个重要研究方向。

太赫兹四分之一波片是太赫兹通信或传感系统中一种重要的太赫兹无源器件，它可将入射的线极化太赫兹波分解为两个极化方向垂直、幅度相等、相位相差2nπ±π/2的线极化波，即将线极化波转换为圆极化波，若逆向使用则可将圆极化波转换为线极化波。近年来太赫兹四分之一波片已成为国内外研究的热点和难点。

在传统的光学中，通常利用单轴晶体的双折射特性来实现线极化波向圆极化波的转换，但单轴晶体制成的四分之一波片的工作带宽很窄，不能满足实际需求。现有的太赫兹四分之一波片大都存在结构复杂、转换效率低、成本高等诸多缺点，因此有必要设计一种结构简单、工作带宽大、转换效率高的太赫兹四分之一波片来满足未来太赫兹通信、成像、监测等领域的需求。

传统物质材料与太赫兹波的相互作用较弱，这给实现太赫兹波段内的功能器件带来了很大的困难。超材料由于其灵活多变的结构设计可以实现许多意想不到的物理现象，包括负折射率、慢光效应等，为太赫兹四分之一波片的研究开辟了新道路。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种结构简单、工作带宽大、转换效率高的基于非对称裂缝的宽带太赫兹四分之一波片。本发明的技术方案如下：

一种基于非对称裂缝的宽带太赫兹四分之一波片，其由若干个正方形周期单元呈棋盘状紧密平铺而成，相邻单元并无间隙，每个正方形周期单元从上到下为第一介质层、中间金属图案层和第二介质层；所述中间金属图案层的金属图案为非对称金属裂缝，其由中心十字缝和两个矩形孔组成，两个矩形孔分别与中心十字缝的顶部相连接，第一介质层的作用是削弱电磁波的反射，中间金属图案层利用中心十字缝及两个矩形孔来实现不同线极化波的非对称传输，第一介质层与第二介质层共同实现阻抗匹配从而提高器件的透射效率。

进一步的，所述中间金属图案层的材料为金、银、铜中的一种，厚度为50～500nm。

进一步的，所述正方形周期单元的截面为正方形，其边长为70μm。

进一步的，所述中间金属图案层的厚度为0.2μm，电导率为4.561×10⁷S/m的金层。

进一步的，所述第一介质层、第二介质层的材料为熔融石英，介电常数为3.75，损耗正切为0.0027，其厚度为38μm。

进一步的，所述中间金属图案层的十字缝结构的长度为55～60μm，线宽为3～5μm，矩形孔的宽度为5～8μm，长度为9～13μm。

本发明的优点及有益效果如下：

1、与同性能的基于曲折线结构的太赫兹四分之一波片相比，本发明的结构更加简单，加工可行性得到提高。

2、本发明提出的太赫兹四分之一波片的工作带宽更大，转换效率更高。

本发明结构简单、实施方便、设计巧妙，具有突出的实用性特征和显著进步，适合大规模推广应用。

工作原理：中间金属图案层(2)的金属图案为非对称金属裂缝，矩形孔会对y极化波产生影响，这使得线极化波分别在沿裂缝和垂直裂缝两个方向上的透射系数的大小相等不同，但其相位差等于2nπ±π/2，从而实现了线极化波向圆极化波的转换。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例为基于非对称金属裂缝的太赫兹四分之一波片基本单元结构三维透视图；

图2为基于非对称金属裂缝的太赫兹四分之一波片金属图案层的正向示意图；

图3为透射波的x分量、y分量的透射系数的幅度；

图4为透射波的x分量、y分量的透射系数的相位差；

图5为基于非对称金属裂缝的太赫兹四分之一波片的工作带宽(即轴比AR≤3dB的带宽)；

图6为基于非对称金属裂缝的太赫兹四分之一波片的极化转换效率。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

本发明提供的一种基于非对称金属裂缝的太赫兹四分之一波片，其结构如图1和图2所示，由单元结构周期性排列而成，图2中深色处为金属，浅色处镂空。

所述的单元结构为典型的三层结构，依次为第一介质层1、中间金属图案层2和第二介质层3；

所述的金属图案为非对称金属裂缝，其由中心十字缝和两个矩形孔组成。

所述的单元结构为正方形，其周期边长为70μm。

所述的中间介质层，材料为熔融石英，介电常数为3.75，损耗正切为0.0027，其厚度为38μm。

所述的金属图案层，是厚度为0.2μm，电导率为4.561×10⁷S/m的金层。

所述的金属图案层，如图2所示，具体尺寸分别为：L₁＝20μm,L₂＝58μm,L₃＝53μm,L₄＝63μm。

入射波的极化方向与+x方向夹角为45°，当其沿-z方向入射到超材料结构时，其入射波的电场表达式为

入射波经过太赫兹四分之一波片后透射波电场为其中，t_ox和t_oy分别为x方向和y方向的透射系数的幅度，和分别为x方向和y方向的透射系数的相位，和为单位方向矢量，相位差

由电磁波基本理论可知，当时，透射的电磁波即为圆极化波(其中n为整数)。

根据上述的t_ox、t_oy、即可得到斯托克斯参数，S₀＝|t_ox|²+|t_oy|²，S₁＝|t_ox|²-|t_oy|²，

根据上述的斯托克斯参数即可得到透射波的极化偏转角α＝arctan(S₂/S₁)/2，透射波的椭圆角β＝arcsin(S₃/S₀)/2。

根据上述的椭圆角即可得到透射波的轴比AR＝10·lg(tanβ)。

由于透射波并非理想的圆极化波，一般当透射波的轴比AR≤3dB时即视为可用的圆极化波，太赫兹四分之一波片的工作带宽即为轴比AR≤3dB的带宽。

太赫兹四分之一波片的转换效率，即为其将线极化波转换为圆极化波的效率，

如图3所示，在1.200THz附近透射系数t_ox和t_oy的幅度大小接近。

如图4所示，在1.200THz附近透射系数t_ox和t_oy的相位差大小约为π/2。

如图5所示，设计的基于非对称金属裂缝的太赫兹四分之一波片在0.894～1.378THz的范围内轴比AR≤3dB。

如图6所示，设计的基于非对称金属裂缝的太赫兹四分之一波片在0.894～1.378THz的范围内工作效率(即将线极化波转换为圆极化波的效率)≥45％。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (6)

1.一种基于非对称裂缝的宽带太赫兹四分之一波片，其特征在于，由若干个正方形周期单元呈棋盘状紧密平铺而成，相邻单元并无间隙，每个正方形周期单元从上到下为第一介质层(1)、中间金属图案层(2)和第二介质层(3)；所述中间金属图案层(2)的金属图案为非对称金属裂缝，其由中心十字缝和两个矩形孔组成，两个矩形孔分别与中心十字缝的顶部相连接，金属层在中心十字缝和矩形孔处均镂空，第一介质层(1)的作用是削弱电磁波的反射，中间金属图案层(2)利用中心十字缝及两个矩形孔来实现不同极化波的非对称传输，第一介质层(1)与第二介质层(3)共同实现阻抗匹配从而提高器件的透射效率。

2.根据权利要求1所述的一种基于非对称裂缝的宽带太赫兹四分之一波片，其特征在于，所述中间金属图案层(2)的材料为金、银、铜中的一种，厚度为50～500nm。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于非对称裂缝的宽带太赫兹四分之一波片，其特征在于，所述正方形周期单元的截面为正方形，其边长为70μm。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于非对称裂缝的宽带太赫兹四分之一波片，其特征在于，所述中间金属图案层(2)的厚度为0.2μm，电导率为4.561×10⁷S/m的金层。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于非对称裂缝的宽带太赫兹四分之一波片，其特征在于，所述第一介质层(1)、第二介质层(3)的材料为熔融石英，介电常数为3.75，损耗正切为0.0027，其厚度为38μm。

6.根据权利要求1或2所述的一种基于非对称裂缝的宽带太赫兹四分之一波片，其特征在于，所述中间金属图案层(2)的十字缝结构的长度为55～60μm，线宽为3～5μm，矩形孔的宽度为5～8μm，长度为9～13μm。