CN110165416A - 基于梯度超表面的电磁波完美吸收和异常偏折双功能器件 - Google Patents

Abstract

本发明属于电磁特异介质超表面技术领域，具体为一种基于梯度超表面的电磁波完美吸收和异常偏折双功能器件。本发明的双功能器件是一种电磁特异介质超表面，由特异介质单元即原胞沿轴方向轴方向二维延拓得到；特异介质单元为“金属微结构/电介质/金属衬底”三明治结构体系，介质层的厚度和介电常数之间满足特定的关系；引入针对于圆偏入射光的反射相位梯度、入射角这个自由度，通过设计反射相位梯度和工作频率，以实现特定角度完美吸收和特定角度异常偏折双功能。本发明利用几何相位机理，将各种偏振的电磁波均转化为表面波并将其吸收，具有偏振不依赖、体系超薄、设计简单等优点。

Description

基于梯度超表面的电磁波完美吸收和异常偏折双功能器件

技术领域

本发明属于电磁特异介质超表面技术领域，具体涉及一种基于梯度超表面的电磁波完美吸收和异常偏折双功能器件。

背景技术

自然材料是由分子或原子构成的，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。电磁特异介质的思想就是通过精心设计某种人工的“分子和原子”(Meta-atom)，通常称之为特异介质单元，将其以某种排列形式组合成(二维或者三维)阵列，构建自然界没有的特定电磁参数，便能得到特定电磁波调制功能的“表面”或者“晶体”，从而实现异常折射、负折射等奇异光学现象。电磁特异介质大大扩展人们调制电磁波的自由度，具有广泛的应用前景。

梯度电磁特异介质表面(Gradient Meta-surface)是指某个特定的电磁表面对电磁波的相位响应随着位置成梯度分布，其厚度远小于工作波长，因此可以将其视为表面结构，该相位梯度可以为入射波提供额外波矢，将入射波转化为表面波(SW)。

几何PB相位(Pancharatnam-Berry(PB)，或者称之为几何Berry相位)告诉人们，不需要调整特异介质单元的结构常数，仅仅通过转动特异介质单元的主轴就可以调制反射相位和透射相位，并且保持反射率和透射率模值不变。几何PB相位的应用大大减少了设计梯度电磁特异介质表面的工作量和工艺误差带来影响，只需要对原包进行旋转就可以得到需要的相位梯度。当我们用于电磁波吸收时，PB梯度相位可以实现偏振不依赖。

本发明基于电磁特异介质超表面技术，通过特异介质单元(Meta-atom)的几何设计几何相位梯度，构造出圆偏光(CP)入射下效率近100％表面等离激元(SPP)耦合器，并且通过匹配介质层厚度和损耗，实现对电磁波的完美吸收和异常偏折。

本发明同时利用电场矢量的基本理论推导出高效率耦合SPP时激发单元结构应该满足的设计标准，即将激发区域单元设置为镜像对称结构，而且对于横电和横磁的入射波有180°的相位差，使得零阶反射为0，从而实现对电磁波的完美吸收。

发明内容

本发明的目的在于设计一种能够对不同入射角度的电磁波实现完美吸收与异常偏折两种不同电磁调控功能的双功能器件。

本发明设计的基于梯度超表面的电磁波完美吸收和异常偏折双功能器件，是一种电磁特异介质超表面。其功能示意图如图1所示，包括：一种正入射圆偏光下实现三维传输波到二维表面波的转化，通过介质层损耗实现完美电磁波吸收，金属使用的是铜(Cu)，损耗介质采用的是有损耗的FR4材料。该电磁特异介质超表面由满足高效激发条件的特异介质单元即原胞沿轴方向轴方向二维延拓得到；如图2所示，其中，沿轴方向延拓为周期平移，同时，特异介质单元以角度θ顺时针依次旋转，即以第一个特异介质单元为基准，第二个特异介质单元旋转角度θ，第三个特异介质单元旋转角度2θ，…，第n个特异介质单元旋转角度(n-1)θ，n为沿方向原胞个数；沿轴方向延拓为沿轴方向延拓得到的特异介质单元阵列，进行周期平移。

所述特异介质单元，如图3、4、5所示，是一种“金属微结构/电介质/金属衬底”三明治结构体系，具有镜面对称性，即从上而下依次为金属微结构、电介质、金属衬底，空隙处为空气，上层的金属微结构为工字形结构。中间的电介质层为有损耗的各向同性均匀介质，介质层的厚度和介电常数之间需要满足关系：吸收阻尼Q_a等于辐射阻尼Q_r，即：

Q_a＝Q_r。

需要临界损耗，损耗太低或者太高都不行，如图6所示，tanσ表示损耗角正切值，专业术语为损耗，图6中实心圆点损耗tanσ为0.012和实心正方形损耗tanσ为0.093都不能实现完美吸收，只有实心五角星损耗为tanσ0.023时才能实现对电磁波的完美吸收，即小于0.023和大于0.023都不能实现完美吸收。作为一个例子设计的特异介质单元如图5所示，中间介质层为有损耗的FR4材料，损耗tanσ为0.023，即是图6中实现完美吸收的参数，通过此参数做样品加工。

整个特异介质超表面都可以实现三维传输波到二维表面波的完美转化，我们称之为激发区，之所以激发区可以实现三维传输波到二维表面波的完美转化，是因为激发区域中特异介质单元进行几何角度旋转时，引入针对于圆偏入射光的反射相位梯度ξ，ξ>k₀，k₀为真空中电磁波传播相位梯度，所以在特异介质表面的各个地方都可以实现三维传输波100％转化为二维表面波。

以上是在正入射圆偏光下实现的电磁波完美吸收，当引入入射角θ_i这个自由度，可以实现电磁波的完美吸收和异常反射双功能。根据广义snell定律，反射光相位梯度ξ与入射角θ_i之间满足：

sin(θ_r)k₀＝k₀sinθ_i+ξ

其中，θ_i为入射角，当入射光位于x小于0的左半平面时，θ_i>0，当入射光位于x大于0的右半平面时，θ_i<0；θ_r为反射角，当反射光位于x小于0的左半平面时，θ_r>0，当反射光位于x大于0的右半平面时，为超表面提供给入射光的水平波矢量，±号由入射光的手性决定，入射光为左旋光时取-，入射光为右旋光时取+，为原胞的旋转角，p为原胞周期；无论左旋光还是右旋光，通过设计ξ和工作频率，可以实现特定角度完美吸收和特定角度异常偏折双功能。

以右旋光为列，如图8所示，当入射光位于x小于0的左半平面时θ_i>0，所以sinθ_i>0,设计的样品ξ＝1.154k₀，由于：

k₀sinθ_i+1.154k₀>k₀

所以实现三维传输波转化为表面波同时完美吸收；

当入射光位于x大于0的右半平面时θ_i<0，所以sinθ_i<0,设计的样品ξ＝1.154k₀，当

k₀sinθ_i+1.154k₀<k₀时，实现异常偏折，异常偏折角为θ_r。

如图9所示。当ξ>2k₀时，无论入射角怎么变化k₀sinθ_i+ξ都满足：

k₀sinθ_i+ξ>k₀

所以，理论上可以实现全入射角的完美电磁波吸收。

本发明中，利用电场矢量的基本理论推导出高效率耦合SPP时激发单元结构应该满足的设计标准:

r_xx+r_yy＝r_xy-r_yx＝0

式中参数由图5所设计样品确定，r_xx与r_yy分别为正入射x偏振光和y偏振光时反射光的零阶同偏振分量反射率，r_xy为x偏振入射y偏振反射率，r_yx为y偏振入射x偏振反射率，分别代表正入射x偏振光和y偏振光时反射光的零阶不同偏振分量反射率。

满足上述式子：

r_xx+r_yy＝r_xy-r_yx＝0

的条件可以这样实现，即将激发区域单元设置为镜像对称结构，使得：

r_xy-r_yx＝0；

当x偏振和y偏振的入射波有180°的相位差时使得：

r_xx+r_yy＝0；

从而实现对入射电磁波极化的100％反转。

然后，将设计好的激发区域原胞沿着方向周期延拓，并进行旋转,相邻原胞旋转角度间隔为φ，当入射波为左旋光(右旋光)，反射右旋光(左旋光)获得了一个附加的几何Berry相位梯度即沿方向获得一个额外反射相位梯度±ξ，正入射时，当这个额外相位梯度ξ>k₀时，入射圆偏光被束缚在激发区域表面形成表面波，由于激发区域可以将入射波全部转化为表面波，通过匹配介质损耗，最终实现对电磁波的完美吸收。

进一步地，本发明利用有限时域差分对满足上述要求的特异介质单元原胞进行结构参数优化，结构如下：原胞大小为6.5mm×6.5mm，，即周期长度p为6.5mm；设金属微结构的厚度为a5，工形结构的中间金属条的长度为a2，工形结构的左右两端横杠的长度为a1,金属微结构各部分的线宽为a3，金属微结构的结构参数为：a5＝0.035mm，a2＝4mm,a1＝2.52mm,a3＝0.5mm；电介质厚度a4＝1.1mm，金属衬底厚度a6＝0.035mm，所有参数的容差在±0.02mm，如图3、4所示；所设计的特异介质超表面工作中心频率10GHz，带宽0.5GHz。与之匹配的介质层介电常数为ε＝4.3-0.16*i，即为匹配当前几何参数实现电磁波完美吸收的临界损耗，如图6中实心五角星损耗tanσ为0.023的线所示。

本发明对不同入射角度的电磁波可以实现完美吸收与异常偏折两种不同的电磁调控功能，这非常有利于现代工程应用对电磁器件高集成和多功能的需求。相对主要依赖电磁共振、阻抗匹配等工作机理的传统超表面吸波器件，本发明利用几何相位机理，将各种偏振的电磁波均转化为表面波并将其吸收，具有偏振不依赖、体系超薄、设计简单等优点，其工作频段还可根据需求拓展到其他任意频域。

附图说明

图1：本发明器件功能示意图。

图2：梯度结构设计示意图。

图3：单元结构几何参数(顶视图)。

图4：单元结构几何参数(侧视图)。

图5：单元设计示意图。

图6：临界吸收数值计算。

图7：图6临界吸收时实现完美吸收，数值计算Ez场分布，可以看到转化为SPP。

图8：斜入射完美吸收示意图。

图9：斜入射异常偏折示意图。

图10：高效单元设计示意图。

图11：高效单元样品图。

图12：高效单元满足x偏振与y偏振相位相差π。

图13：有高效单元构成的完美吸收样品图与测试架构图。

图14：完美吸收数值计算与实验测试结果。

图15：斜入射完美吸收工作角度数值计算。

图16：斜入射异常反射场分布，入射角为-25°，异常反射角为-45.23°。

具体实施方式

本发明设计关键在于如何实现高效的传播波(PW)到SW的转化以及设计匹配电磁波完美吸收的介质层厚度和介电常数。前者涉及到电场矢量叠加和几何PB相位，后者涉及完美吸收条件是否满足。我们通过数值计算优化高效特异介质单元几何参数和介电常数，并通过几何相位原理得到特异介质超表面，实现电磁波的完美吸收。根据优化得到的结构分别加工两块样品，样品1照片如图11所示，如果单元要实现高效率电磁波调控，必须满足在镜像对称前提下使得其偏振方向与偏振方向对于反射波有π的相位差，可以从图12中看到，在10GHz工作频率，x偏振和y偏振分别入射时反射光的相位相差π，满足高效条件,其中虚线为x偏振入射时反射光的数值计算相位分布，实心五角星散点为x偏振入射时反射光的实验测量的相位分布，实线为y偏振入射时反射光的数值计算相位分布，空心圆圈散点为y偏振入射时反射光的实验测量的相位分布；样品2如图13所示，对图13样品正入射左旋光验证梯度超表面的转表面波完美吸收效果，正入射一个左旋光，用角形喇叭测量吸收率，结果如图14所示，可以看到样品的实验结果实心五角星散点和数值模拟结果实线基本符合，在10GH在工作频率吸收达到100％。

优化后实验样品的参数为：原胞大小为6.5mm×6.5mm，，即周期长度p为6.5mm；设金属微结构的厚度为a5，工形结构的中间金属条的长度为a2，工形结构的左右两端横杠的长度为a1,金属微结构各部分的线宽为a3，金属微结构的结构参数为：a5＝0.035mm，a2＝4mm,a1＝2.52mm,a3＝0.5mm；电介质厚度a4＝1.1mm，金属衬底厚度a6＝0.035mm，所有参数的容差在±0.02mm。与之匹配的介质层介电常数为ε＝4.3-0.16*i，即为匹配当前几何参数实现电磁波完美吸收的临界损耗。所设计的本征特异介质超表面工作中心频率10GHz。

数值计算1：高效单元设计

通过有限时序差分(FDTD)的电磁波计算程序包进行数值计算，设计特异介质单元原胞，其结构具有镜面对称性，由三层结构构成：

第一层是“工”字型完美金属片(PEC)，其结构参数：a5＝0.035mm，a2＝4mm,a1＝2.52mm,a3＝0.5mm，如图3所示。

第二层为各向同性的均匀介质，其相对介电常数为4.3-0.16*i，相对磁导率为1，相对电导率为0，厚度为a4＝1.1mm，周期p＝6.5mm，如图3所示。

第三层为完整的完美金属层，厚度为a6＝0.035mm，如图3、4所示。

实验1：高效单元相位测量实验

高效激发的条件是激发区域原原胞对于和偏振的入射光有π相位差，所以我们将设计的激发原包扩展为周期阵列，如图10所示，通过将原胞沿着x方向和y方向做周期性延拓而得，加工样品照片如图11所示，和设计一致，利用角锥喇叭作为入射和接收信号装置，测得激发原胞阵列对于不同偏振的反射相位曲线，如图12所示，在10GHz工作频率，x偏振和y偏振分别入射时反射光的相位相差π，满足理论要求的高效率工作条件,其中虚线为x偏振入射时反射光的数值计算相位分布，实心五角星散点为x偏振入射时反射光的实验测量的相位分布，实线为y偏振入射时反射光的数值计算相位分布，空心圆圈散点为y偏振入射时反射光的实验测量的相位分布；实验和模拟结果相一致，实验结果显示在中心频率10GHz处，带宽为0.5GHz。

数值计算2：梯度结构设计

我们将数值计算1中设计的单元分别绕z轴转动45°，45°×2，45°×3，45°×4，......，45°×n，构成梯度超表面，入射波将得到额外的反射相位梯度ξ：

即ξ＝1.154k₀

式中，ξ为梯度超表面给入射光提供的相位梯度，k₀为10GHz工作频率时入射光在空气中的总波矢量，f＝10GHz,c为真空中光速，p＝6.5mm为原胞周期,π为圆周率。通过数值计算可以看到传输波转化为表面波，如图7所示为Ez电场分布，由于入射光电场没有Ez分量，所分布为表面波电场分布，测量得ξ＝1.154k₀。

实验2：正入射完美吸收测量

根据数值计算2得到的设计，样品和测试架构如图13所示，我们制作大小为500×500mm²印刷电路板(Print Circuit Broad)，中间的各向同性均匀介质为有损耗的FR-4材料。在FR-4的整个下表面镀上厚度为0.135mm铜膜，上表面印刷出数值计算中设计的单元结构，吸收的计算公式为A＝1-T-R，本发明是反射式体系，没有透射，所以吸收能量大于总能量减去反射能量,即A＝1-R。对图13样品正入射左旋光验证梯度超表面的转表面波完美吸收效果，正入射一个左旋光，用角形喇叭测量吸收率，结果如图14所示，可以看到样品的实验结果实心五角星散点和数值模拟结果实线基本符合，在10GH在工作频率吸收达到100％。

数值计算3：斜入射角完美吸收与异常偏折验证

引入入射角这个自由度以后，以右旋光为列，如图8所示，当入射光满足θ_i>0，所以sinθ_i>0,设计的样品ξ＝1.154k₀，由于

k₀sinθ_i+1.154k₀>k₀

所以超表面可以实现三维传输波转化为表面波，而后被有损耗的介质层的吸收，从而最终实现完美电磁吸收，从图15可以看到，在入射角在0°～75°范围，都可以实现电磁波完美吸收。

当入射光满足θ_i<0，所以sinθ_i<0,设计的样品ξ＝1.154k₀，当k₀sinθ_i+1.154k₀<k₀时，实现异常偏折，异常偏折角为θ_r，如图16所示，θ_i＝-25°,由式：

sin(θ_r)k₀＝k₀sinθ_i+ξ

计算得异常偏折角θ_r＝-45.23°，正如图16场分布所示，电磁波沿着θ_r＝-45.23°方向偏折出去，验证异常偏折功能可以实现。

Claims (3)

1.一种基于梯度超表面的电磁波完美吸收和异常偏折双功能器件，是一种电磁特异介质超表面，其特征在于，该电磁特异介质超表面由满足高效激发条件的特异介质单元即原胞沿轴方向轴方向二维延拓得到；其中，沿轴方向延拓为周期平移，同时，特异介质单元以角度θ顺时针依次旋转，即以第一个特异介质单元为基准，第二个特异介质单元旋转角度θ，第三个特异介质单元旋转角度2θ，…，第n个特异介质单元旋转角度(n-1)θ，n为沿方向原胞个数；沿轴方向延拓为沿轴方向延拓得到的特异介质单元阵列，进行周期平移；

所述特异介质单元为“金属微结构/电介质/金属衬底”三明治结构体系，具有镜面对称性，即从上而下依次为金属微结构、电介质、金属衬底，空隙处为空气，金属微结构为工字形结构；电介质层为有损耗的各向同性均匀介质，介质层的厚度和介电常数之间满足关系：吸收阻尼Q_a等于辐射阻尼Q_r；

特异介质单元进行几何角度旋转时，引入针对于圆偏入射光的反射相位梯度ξ，ξ>k₀，k₀为真空中电磁波传播相位梯度，使在特异介质表面的各个地方都均实现三维传输波100％转化为二维表面波；

同时引入入射角θ_i这个自由度，反射光相位梯度ξ与入射角θ_i之间满足：

sin(θ_r)k₀＝k₀sinθ_i+ξ

其中，θ_i为入射角，当入射光位于x小于0的左半平面时，θ_i>0，当入射光位于x大于0的右半平面时，θ_i<0；θ_r为反射角，当反射光位于x小于0的左半平面时，θ_r>0，当反射光位于x大于0的右半平面时，θ_r<0；为超表面提供给入射光的水平波矢量，±号由入射光的手性决定，入射光为左旋光时取-，入射光为右旋光时取+，为原胞的旋转角，p为原胞周期；无论左旋光还是右旋光，通过设计ξ和工作频率，可以实现特定角度完美吸收和特定角度异常偏折双功能。

2.根据权利要求1所述的基于梯度超表面的电磁波完美吸收和异常偏折双功能器件，其特征在于，作为激发区域中特异介质单元结构满足如下设计标准:

r_xx+r_yy＝r_xy-r_yx＝0

式中，参数r_xx与r_yy分别为正入射x偏振光和y偏振光时反射光的零阶同偏振分量反射率，r_xy为x偏振入射y偏振反射率，r_yx为y偏振入射x偏振反射率，分别代表正入射x偏振光和y偏振光时反射光的零阶不同偏振分量反射率；

满足上述设计标准的的条件，是将激发区域单元设置为镜像对称结构，使得：

r_xy-r_yx＝0；

当x偏振和y偏振的入射波有180°的相位差时使得：

r_xx+r_yy＝0；

从而实现对入射电磁波极化的100％反转。

3.根据权利要求1所述的基于梯度超表面的电磁波完美吸收和异常偏折双功能器件，其特征在于，特异介质单元原胞结构参数进行优化的结果如下：原胞大小为6.5mm×6.5mm，即周期长度p为6.5mm；设金属微结构的厚度为a5，工形结构的中间金属条的长度为a2，工形结构的左右两端横杠的长度为a1,金属微结构各部分的线宽为a3，金属微结构的结构参数为：a5＝0.035mm，a2＝4mm,a1＝2.52mm,a3＝0.5mm；电介质厚度a4＝1.1mm，金属衬底厚度a6＝0.035mm，所有参数的容差在±0.02mm；所设计的特异介质超表面工作中心频率10GHz，带宽0.5GHz；与之匹配的介质层介电常数为ε＝4.3-0.16*i,为匹配当前几何参数实现电磁波完美吸收的临界损耗。