CN110120588A - 用于产生自旋涡波的石墨烯超表面 - Google Patents

用于产生自旋涡波的石墨烯超表面 Download PDF

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张晨
邓力
李书芳
张贯京
葛新科
张红治
何明生
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Abstract

本发明公开一种用于产生自旋涡波的石墨烯超表面，该石墨烯超表面由N*N个数量单位的石墨烯反射单元排列组成，每一个石墨烯反射单元包括最上层的石墨烯贴片、中间层的石英介质板以及底层的金属地板；石墨烯贴片设置在石英介质板上表面的中心点位置，且石墨烯贴片设置在石英介质板上表面的旋转角度为θ，金属地板设置在石英介质板的下表面，石墨烯贴片的中心点与石英介质板的中心点重合，其中θ为‑90°～90°范围内任意角度；每一个石墨烯单元的石墨烯贴片设置在石英介质板上表面的旋转角度θ由石墨烯超表面各个位置处的反射相位分布来确定。本发明所述石墨烯超表面实现了自旋涡波的0～360°全相位调控，产生的涡旋波的相位更准确，进而提升了涡旋波的性能。

Description

用于产生自旋涡波的石墨烯超表面
技术领域
本发明涉及微波通信的技术领域，尤其涉及一种用于产生自旋涡波的石墨烯超表面。
背景技术
近年来，控制电磁波的自旋角动量(SAM)和轨道角动量(OAM)的技术逐渐引起了人们的研究兴趣，由于它们能够应用在通信系统的极化分集和信道编码等方面，因此不断的有研究人员设计超表面器件来独立调控它们。这两种动量是一个传播电磁波的本征特性，它们分别与电磁波的极化和相位有关。由于超表面在控制电磁波极化和相位方面的灵活性，它们被广泛引用于不规则反射或折射、反射阵天线、涡旋波产生器和极化转换器等方面。
随着通信速率逐渐提高，应用频段也会随着升高，能够应用在太赫兹(THz)频段的超表面成为了必然的趋势。现在一些应用太赫兹频段的超表面，大多数是使用金属单元设计的，由于金属在频率较高的THz频段本身的趋肤效应较严重，使电流集中在金属表面，电流分布不平均造成了单元阻抗增加，从而使整个超表面的损耗较高，不利于实际应用。石墨烯材料由于在THz频段具有良好的导电率和较低的表面损耗，因此适合替代金属在该频段的应用。目前一些已有的石墨烯超表面，通常通过改变单元贴片的大小或者调节石墨烯化学势参数实现的，这种方法能够提供的反射相位范围只有300°左右，而无法实现360°的全相位的调控，当使用它们设计自旋涡旋波超表面时，对于需要反射相位超过300°的位置，只能都用300°的反射单元代替，这样就会在一定程度上降低性能和控制准确性。
发明内容
为了解决上述技术缺陷，本发明的主要目的在于提供一种用于产生自旋涡波的石墨烯超表面，旨在解决现有技术中石墨烯超表面无法实现自旋涡波的0～360°全相位调控的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于产生自旋涡波的石墨烯超表面，该石墨烯超表面由N*N个数量单位的石墨烯反射单元排列组成，每一个石墨烯反射单元是由三层结构组成长方体结构，每一个石墨烯反射单元包括最上层的石墨烯贴片、中间层的石英介质板以及底层的金属地板；
所述石墨烯贴片设置在石英介质板上表面的中心点位置，且石墨烯贴片设置在石英介质板上表面的旋转角度为θ，所述金属地板设置在石英介质板的下表面，所述石墨烯贴片的中心点与石英介质板的中心点重合，其中，所述旋转角度θ为-90°～90°范围内任意角度；
每一个石墨烯单元的石墨烯贴片设置在石英介质板上表面的旋转角度θ由所述石墨烯超表面各个位置处的反射相位分布来确定，所述石墨烯超表面各个位置处的反射相位分布通过下式进行计算：
θ＝Φ(x,y)/2
其中上两式中的Φ(x,y)为每个位置处的反射相位，θ'为俯仰角，L为拓扑模式的取值，x和y分别为每一个石墨烯单元的横坐标位置和纵坐标位置，θ为每个石墨烯贴片在石墨烯单元上的旋转角度。
优选的，所述石墨烯贴片为矩形，所述石英介质板和金属地板均为一种上下表面均为正方形的长方体结构。
优选的，所述石墨烯反射单元的尺寸参数如下：所述石墨烯贴片的长度为13.39um、宽度为3.2um；所述石英介质板的边长为14um、厚度为26um；所述金属地板的边长为14um、厚度为1um。
优选的，所述石墨烯超表面的工作频率为1.36～1.62THz频段的太赫兹频段。
优选的，所述石墨烯贴片在小于10THz频率的低太赫兹频段内工作时，在低太赫兹频段内的电导率由带内电导率σintra决定，并由下式计算：
j为虚数单位，e为单位电荷，kB为波尔兹曼常数，是约化普朗克常数，T是室温，Γ是石墨烯散射率，τ是弛豫时间，ω是角频率，μc为化学势。
优选的，其中T为300K、化学势μc＝0.64eV、弛豫时间τ＝14.6ps、石墨烯贴片的散射率为Γ＝1/(2τ)。
优选的，所述石墨烯超表面由21*21个数量单位的石墨烯反射单元排列组成，该石墨烯超表面的表面大小为294um*294um。
优选的，每一个石墨烯反射单元之间相互无缝隙排列构成长方体结构的石墨烯超表面。
相较于现有技术，本发明提出新参数结构的石墨烯反射单元并利用这种石墨烯反射单元构建的石墨烯超表面能够实现产生指定拓扑模式的涡旋波，石墨烯超表面的每一个石墨烯反射单元能够取到0～360°全相位范围内的值，因此能够实现自旋涡波的0～360°全相位调控，与现有技术中无法实现全相位范围调节的石墨烯超表面相比，本发明提出的石墨烯超表面产生的涡旋波的相位更准确，进而提升了涡旋波的性能。
附图说明
图1为本发明用于产生自旋涡波的石墨烯超表面的立体结构示意图；
图2是构成石墨烯超表面的单个石墨烯反射单元的结构示意图；
图3为石墨烯反射单元中石墨烯贴片的角度旋转示意图；
图4为利用HFSS仿真软件建立石墨烯反射单元的仿真模型示意图；
图5是石墨烯反射单元的反射相位和反射幅度的曲线示意图；
图6为石墨烯超表面中的所有石墨烯反射单元分布的俯视图；
图7为石墨烯超表面的反射相位值分布图；
图8为石墨烯超表面在垂直方向上分析涡旋波电场Ex分量的相位分布图；
图9为用于产生自旋涡波的石墨烯超表面的归一化辐射方向图。
本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，将在具体实施方式部分一并参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成上述目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参考图1所示，图1为本发明用于产生自旋涡波的石墨烯超表面的立体结构示意图。为了构建一个能够产生自涡旋波的石墨烯超表面2，本实例提供了一种由21*21个数量单位的石墨烯反射单元1排列组成的石墨烯超表面2，该石墨烯超表面2的表面大小为294um*294um。每一个石墨烯反射单元1之间相互无缝隙排列构成一个长方体结构的石墨烯超表面2；当石墨烯超表面2工作频率f＝1.5THz时，当一个左旋圆极化波垂直入射到该石墨烯超表面2上时，该石墨烯超表面2就能够在垂直方向上反射出一个相同极化方式的涡旋电磁波。因此，本实例从输入单元103输入21*21个数量单位的石墨烯反射单元1排列构建石墨烯超表面2，每一个石墨烯反射单元1的排列位置的横坐标位置和纵坐标位置用x和y表示。
本发明提出一种反射型的石墨烯超表面2，它由一定数量的石墨烯反射单元1(参考图2)构成的。通过计算每个位置上的石墨烯反射单元1处所需的反射相位，并按照这种分布规律构建出的石墨烯超表面2，就能够在垂直方向上产生一个带有指定自旋方式的涡旋电磁波。在本实施例中，电磁波的自旋方式包括左旋圆极化(LHCP)和右旋圆极化(RHCP)两种方式，所以控制电磁波的自旋就是要控制电磁波的极化方式。本发明提出了一种石墨烯反射单元1，通过结合Pancharatnam-Berry(PB)相位方法，使每个单元满足对x极化波和y极化波的相位差为180°的条件，当一个左旋或右旋圆极化波垂直激励设计的超表面时，该超表面能够使反射波的极化与入射波的保持一致，通过控制入射源的极化方式，进而完成对电磁波自旋方式的控制。
参考图2所示，图2是构成石墨烯超表面的单个石墨烯反射单元的结构示意图。在本实施例中，所述石墨烯反射单元1由三层结构组成的长方体结构，包括最上层的石墨烯贴片11、中间层的石英介质板12以及底层的金属地板13。所述石墨烯贴片11设置在石英介质板12上表面的中心点位置，且石墨烯贴片11设置在石英介质板12上表面的旋转角度为θ(即石墨烯贴片11的长边与三维空间坐标轴X轴之间的夹角为θ)，金属地板13设置在石英介质板12的下表面。其中，θ为-90°～90°范围内任意角度。石墨烯贴片11的中心点与石英介质板12的中心点重合，石墨烯贴片11设置在石英介质板12上表面的旋转角度θ都是围绕这个中心点进行旋转形成的。作为优选实施例，所述石墨烯反射单元1的实际尺寸参数如下：石墨烯贴片11为矩形，该石墨烯贴片11的长度a为13.39um、宽度b为3.2um；石英介质板12为一种上下表面均为正方形的长方体结构，该石英介质板12的边长s为14um、厚度h为26um；金属地板13为一种上下表面均为正方形的长方体结构，该金属地板13的边长s为14um、厚度为1um，金属地板13为金属铜。
由于石墨烯的不同电导率会直接影响反射相位，因此，在设计时需要考虑石墨烯贴片11的电导率。石墨烯的电导率由带内电导率σintra和带间电导率σinter来表征。当石墨烯在低太赫兹频段内(小于10THz)，可忽略带间电导率σinter的影响，其电导率主要由带内电导率σintra决定，并可以由下式计算：
这里(1)公式中，j为虚数单位，e为单位电荷(1.6e-19(c))，kB为波尔兹曼常数(1.38e-23(J/K))，是约化普朗克常数，值为1.05e-34(J·s)，T是室温，Γ是石墨烯散射率，τ是弛豫时间，ω是角频率，μc为化学势。在设计中，选择室温T为300K，化学势μc＝0.64eV，弛豫时间τ＝14.6ps，石墨烯散射率取Γ＝1/(2τ)。
如图3所示，图3为石墨烯反射单元中石墨烯贴片11的角度旋转示意图。所述的石墨烯反射单元1具有一定范围的反射相位，但是要想实现对辐射波束实现360°的全相位调控范围，就需要结合Pancharatnam-Berry(PB)相位法对石墨烯反射单元1的石墨烯贴片11按照一定规律进行旋转，本发明利用PB相位法计算石墨烯贴片11设置在石英介质板12上表面的旋转角度，进而对辐射波束实现360°的全相位调控。PB相位法的优势在于，当石墨烯反射单元1对左旋圆极化(LHCP)和右旋圆极化(RHCP)这两种线极化波的反射相位差180°时，石墨烯贴片11旋转角度θ后，就能够实现2θ的反射相位。石墨烯反射单元1按照PB相位法旋转的角度与其反射波的反射相位关系能够通过下面的公式推导来说明。当一个左旋圆极化(LHCP)波沿-z方向垂直入射石墨烯反射单元1的上表面时，入射波Ein和反射波Ere可以表示为：
这里和分别是入射波对x分量和y分量的相位偏移。
当石墨烯贴片11由图3中的(a)位置旋转θ度后得到图3中的(b)位置，旋转后的坐标x’y’z’和原始坐标xyz之间的关系能被表示为：
在和的条件下，公式(4)带入公式(3)中，反射波Ere将会表示为：
由公式(5)，可以得到左旋圆极化(LHCP)分量ErLHCP和右旋圆极化(RHCP)分量ErRHCP：
在以上两式(6)和(7)中，当满足时，
ErRHCP＝0 (9)
从两式(8)和(9)中可以看出，左旋圆极化(LHCP)分量ErLHCP被保留，幅度不变而相位变为原来的2倍(e-j2θ)，因此就证明了若想实现2θ的反射相位，只需要旋转θ度就能实现所需的反射相位。
参考图4所示，图4为利用HFSS仿真软件建立石墨烯反射单元1的仿真模型示意图。根据以上理论依据，在HFSS仿真软件中输入用于建立石墨烯反射单元1的仿真模型的初始尺寸参数：石墨烯贴片11的长度为10um、宽度为2.9um，石英介质板的边长为13.5um、厚度25um，金属地板的边长13.5um、厚度0.5um。在本实施例中，利用HFSS仿真软件建立石墨烯反射单元的仿真模型的步骤包括：在HFSS仿真软件中按照初始尺寸参数构建石墨烯反射单元1的仿真模型；在石墨烯反射单元的仿真模型的上部设置一个区域为空气，这个区域就叫做空气腔，用于模拟在真空环境下石墨烯反射单元1的电磁响应。在仿真设计中，建立两组主从边界(图4中的主边界1、主边界2，以及从边界1、从边界2)条件分别设置在空气腔的四个面上，用来模拟无限大的平面，在空气腔的最上端设置一个周期单元激励端口(Floquet端口)作为激励源，用来产生垂直向下的入射波，在仿真模型中设置“去嵌入”，表示入射波从石墨烯贴片11的上表面开始入射。
参考图5所示，图5是石墨烯反射单元的反射相位和反射幅度的曲线示意图。在本实施例中，利用石墨烯反射单元1的仿真模型在HFSS仿真软件中进行电磁仿真，能够得到石墨烯反射单元1的电磁响应，即入射波的反射相位和反射幅度的仿真曲线，如图5所示，对于x极化波的反射相位曲线和对y极化波的反射相位曲线，在1.36～1.62THz频段内具有大约180°的相位差，满足PB相位单元旋转的必要条件。如图5中的矩形单元(矩形石墨烯贴片11)指的是PB相位单元，只要矩形单元满足对x极化和y极化两种波的相位差满足约180°，就能使用PB相位旋转法来获得相位。同时，对于x极化波的反射幅度曲线和对y极化波的反射幅度曲线，在此频段内的幅度值较大(均大于-0.3dB)，能够保证足够大反射波的幅度。
在本实施例中，通过比较石墨烯反射单元1的仿真分析结果与应用于太赫兹频段(1.36～1.62THz)的石墨烯反射单元的预期设计性能的差异，不断调整石墨烯反射单元1的输入尺寸参数，直到满足用于产生自旋涡波的石墨烯反射单元1的预期设计性能要求后，才能被准确地确定石墨烯反射单元1的各项实际尺寸参数，各项实际尺寸参数如下：石墨烯贴片11的长度a为13.39um、宽度b为3.2um；石英介质板12的边长s为14um、厚度h为26um；金属地板13的边长s为14um、厚度为1um。所述预期设计性能包括用于产生自旋涡波的石墨烯反射单元1的电磁响应性能，即入射波在入射在石墨烯反射单元1上的反射相位和反射幅度等指标性能。
参考图6所示，图6为石墨烯超表面2中的所有石墨烯反射单元1分布的俯视图。在本实施例中，每一个石墨烯单元1的石墨烯贴片11设置在石英介质板12上表面的旋转角度θ由石墨烯超表面2各个位置处的反射相位分布来确定。在设计完基本的石墨烯单元1后，通过计算待构建的石墨烯超表面2各个位置处的反射相位分布，来确定构成石墨烯超表面2上每个石墨烯单元1上石墨烯贴片11的旋转角度θ，而待构建的石墨烯超表面2各个位置处的反射相位分布可以通过下式进行计算：
θ＝Φ(x,y)/2 (11)
式中Φ(x,y)为每个位置处的反射相位，θ'俯仰角(表示辐射波与垂直方向的夹角)，L为拓扑模式的取值(其中L为自然数，若L＝1，则为1-拓扑模式；若L＝2，为2-拓扑模式，等等)，x和y分别为每个石墨烯反射单元1的横坐标位置和纵坐标位置，θ为每个石墨烯贴片11在石墨烯单元1上的旋转角度。根据公式(10)和(11)，已经获得整个石墨烯超表面2各位置处的反射相位分布值，而对于每一个反射相位值2θ，根据PB相位原理，只需要将这个位置处的组成石墨烯反射单元1的石墨烯贴片11旋转θ角度，就能够实现所需的反射相位。最后，将每个位置旋转不同角度的石墨烯贴片11构成的石墨烯反射单元1组合起来，就形成了能够产生自旋涡波的石墨烯超表面2。
参考图7所示，图7为石墨烯超表面1的反射相位值分布图。在本实施例中，利用公式(10)求出石墨烯超表面2各个位置处的相位分布，如图7所示，使用灰白强度图来表示各处所需的反射相位值，从图7可以看到取值范围在-180°(亮灰色)～180°(浅灰色)以内，在一个旋转周期内，按逆时针方向经历了-π至π连续的相位变化，与涡旋波相位变化规律一致。
参考图8所示，图8为石墨烯超表面2在垂直方向上分析涡旋波电场Ex分量的相位分布图。为了验证垂直反射波是具有1-拓扑模式的涡旋电磁波，在距离石墨烯超表面2正上方的5倍波长位置处设置一个1000um*1000um正方形观察平面，用来分析反射波的电场分量Ex的相位分布。如图7所示，通过分析该观察平面可以得到相位呈一个沿逆时针旋转的涡旋状，而且相位一周经历-180°(浅灰色)～180°(黑色)的渐变，与之前计算出1-拓扑模式下反射相位分布一致，证明了所提出的石墨烯超表面2能够产生指定1-拓扑模式的涡旋电磁波。当一个圆极化波垂直激励本发明的石墨烯超表面2，能够在垂直方向反射出1-拓扑模式的自旋涡旋电磁波。
如图9所示，图9为石墨烯超表面2的归一化辐射方向图。为了准确的验证该石墨烯超表面2能够在垂直方向产生自旋涡旋波，对这个石墨烯超表面2进行电磁仿真，设置一个右旋圆极化(RHCP)波垂直入射作为输入源，分析石墨烯超表面2的归一化辐射方向图。在方向角的正方形观察平面上，在俯仰角θ'＝-90°～90°范围内，反射波的RHCP分量在俯仰角θ'＝0°的位置处有一个大的凹陷，说明在这个方向上产生了涡旋波，因为涡旋波是呈螺旋形式传播的，中间位置处是一个凹陷点。另外，由于具有涡旋分量的是RHCP分量，它的极化方式与输入源的极化方式一致，因此验证了石墨烯超表面2的正确性，即石墨烯超表面2能够在垂直方向上产生了自旋可控的涡旋波。
本发明提出了一种新参数结构的石墨烯反射单元1，利用这种石墨烯反射单元1构建的石墨烯超表面2能够实现产生指定拓扑模式的涡旋波，设计的石墨烯超表面2的每一个石墨烯反射单元1能够取到0～360°全相位范围内的值，进而能够实现自旋涡波的0～360°全相位调控。因此，本发明与现有技术中无法实现全相位范围调节的石墨烯超表面相比，本发明提出的石墨烯超表面2产生的涡旋波的相位更准确，也进而提升了涡旋波的性能。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效功能变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于产生自旋涡波的石墨烯超表面，其特征在于，该石墨烯超表面由N*N个数量单位的石墨烯反射单元排列组成，每一个石墨烯反射单元是由三层结构组成长方体结构，每一个石墨烯反射单元包括最上层的石墨烯贴片、中间层的石英介质板以及底层的金属地板；
所述石墨烯贴片设置在石英介质板上表面的中心点位置，且石墨烯贴片设置在石英介质板上表面的旋转角度为θ，所述金属地板设置在石英介质板的下表面，所述石墨烯贴片的中心点与石英介质板的中心点重合，其中，所述旋转角度θ为-90°～90°范围内任意角度；
每一个石墨烯单元的石墨烯贴片设置在石英介质板上表面的旋转角度θ由所述石墨烯超表面各个位置处的反射相位分布来确定，所述石墨烯超表面各个位置处的反射相位分布通过下式进行计算：
θ＝Φ(x,y)/2
其中上两式中的Φ(x,y)为每个位置处的反射相位，θ'为俯仰角，L为拓扑模式的取值，x和y分别为每一个石墨烯单元的横坐标位置和纵坐标位置，θ为每个石墨烯贴片在石墨烯单元上的旋转角度。
2.如权利要求1所述的用于产生自旋涡波的石墨烯超表面，其特征在于，所述石墨烯贴片为矩形，所述石英介质板和金属地板均为一种上下表面均为正方形的长方体结构。
3.如权利要求2所述的用于产生自旋涡波的石墨烯超表面，其特征在于，所述石墨烯反射单元的实际尺寸参数如下：所述石墨烯贴片的长度为13.39um、宽度为3.2um；所述石英介质板的边长为14um、厚度为26um；所述金属地板的边长为14um、厚度为1um。
4.如权利要求1所述的用于产生自旋涡波的石墨烯超表面，其特征在于，所述石墨烯超表面的工作频率为1.36～1.62THz频段的太赫兹频段。
5.如权利要求4所述的用于产生自旋涡波的石墨烯超表面，其特征在于，所述石墨烯贴片在小于10THz频率的低太赫兹频段内工作时，在低太赫兹频段内的电导率由带内电导率σintra决定，并由下式计算：
在上式中，j为虚数单位，e为单位电荷，kB为波尔兹曼常数，是约化普朗克常数，T是室温，Γ是石墨烯散射率，τ是弛豫时间，ω是角频率，μc为化学势。
6.如权利要求5所述的用于产生自旋涡波的石墨烯超表面，其特征在于，其中T为300K、化学势μc＝0.64eV、弛豫时间τ＝14.6ps、石墨烯贴片的散射率为Γ＝1/(2τ)。
7.如权利要求1至6任一项所述的用于产生自旋涡波的石墨烯超表面，其特征在于，所述石墨烯超表面由21*21个数量单位的石墨烯反射单元排列组成，该石墨烯超表面的表面大小为294um*294um。
8.如权利要求7所述的用于产生自旋涡波的石墨烯超表面，其特征在于，每一个石墨烯反射单元之间相互无缝隙排列构成长方体结构的石墨烯超表面。
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CN113075802A (zh) * 2021-02-23 2021-07-06 华南师范大学 基于相变材料Sb2S3的近红外热调制变焦超构透镜
CN114696109A (zh) * 2022-03-08 2022-07-01 中国人民解放军空军工程大学 一种透射圆极化spp波束分离器

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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