CN110212306B - 一种太赫兹波段透射式惠更斯超构表面 - Google Patents

Abstract

本发明属于电磁波和电磁超构材料领域，具体为一种太赫兹波段透射式惠更斯超构表面，该惠更斯超构表面在太赫兹频率下表现出零反射、高效的异常折射现象，能够实现高效、灵活的太赫兹波透射光场调控。本发明主要包括介质层和双层金属材料，所述的惠更斯超构表面由双层梯度超晶格单元组成，双层梯度超晶格单元由结构参数不断变化的双层超构单元构成，变化结构引起的相位梯度覆盖为0‑2π。超晶格单元的双层结构被介质层分隔，结构单元可为条形、U形、十字等结构。本发明涉及的惠更斯超构表面结构更为简单、材料常见，表现出高效的透射光场调控，有望实现高效率的太赫兹光场调控器件，与有源材料复合则可实现可调谐的太赫兹功能器件。

Description

一种太赫兹波段透射式惠更斯超构表面

技术领域

本发明属于电磁波和电磁超构材料领域，具体涉及一种太赫兹波段透射式惠更斯超构表面。

背景技术

太赫兹波位于微波和红外波之间，在安全检查、医学影像、无线通信、无损检测等诸多方面有着重要的学术和应用价值。由于太赫兹波对于天然材料的电磁响应很弱，故对于该频段波的产生、传输、探测变得十分困难，导致人们对太赫兹波段的认识和研究十分有限，造成了历史上研究的空白区域，人们因此也曾将太赫兹波段定义为THz gap。随着技术的发展，超构材料和相关高科技技术的出现极大地增强了调控太赫兹波辐射的能力，人为设计的超构材料具有众多天然材料所不具有的一系列的优点，能够灵活地调控太赫兹波的传输。

波前的动态调控是研究人员十分渴望实现的目标，对成像、远程传感、通讯系统至关重要。传统的波前调控方式可以使用透镜、液晶空间光调制器、数字微镜等，但显然这样的波前控制不易集成。惠更斯超构表面可以提供高效的波前调控，不受偏振态的限制，吸引了研究者的广泛关注。惠更斯超构表面的设计源于Schelkunoff等效原理，将一个已知入射电磁波转换为所需的场，在边界处产生不连续的场会在超构表面诱发电流和磁流。分析惠更斯超构表面的基本原理可以发现，一方面，精心设计的惠更斯超构表面能够高效地调控传输电磁波，而不产生反射；另一方面，惠更斯超构表面能够对电磁波的振幅，相位以及极化进行控制，因而具有巨大的应用潜力。在微波波段采用线或者环结构直接形成惠更斯源的设计已经得到验证，而由于制造和金属损耗问题，在光波波段线、环结构的设计难以得到物理实现。替代的方案是采用多层金属级联的结构设计，来产生等效的惠更斯结构特性，同样的设计也适用于微波段。全介质惠更斯超构表面的设计相对于金属材料的超构表面具有更高的效率，一级衍射效率接近百分之六十，聚焦效率为百分之八十。在应用方面，惠更斯超构表面的可以用于设计光束偏折器件，涡旋光场，平面透镜及太赫兹聚焦等。目前惠更斯超构表面的设计主要集中在微波段和光波段，太赫兹波段的高效偏折器件及波前调控报道得非常少。

针对上述技术问题，本发明公开了一种太赫兹波段透射式惠更斯超构表面，该超构表面能够在太赫兹波段对线性偏振光垂直入射的情况下实现透射光的异常折射现象。同时，当线性偏振光按照一定的角度倾斜入射所设计的惠更斯超构表面时，同样会有异常折射的现象出现。并且能够实现2π的相位覆盖。这一发明具有结构简单、易于制作等特点，并且不同于之前的发明，此发明实现了在太赫兹波段透射光的异常折射现象。

发明内容

本发明为一种太赫兹波段透射式惠更斯超构表面，可以实现在太赫兹波段透射光的异常折射现象，本发明的技术方案如下：

一种太赫兹波段透射式惠更斯超构表面，主要包括介质层和双层梯度超晶格单元，双层梯度超晶格单元由多个超构单元组成，超构单元由双层金属层和介质层组成，超晶格单元中的超构单元结构为可产生相位梯度的不同金属结构；介质层位于双层梯度超晶格单元中间，介质层的上表面为由超构单元组成梯度超晶格单元，介质层的下表面为与介质层上表面结构完全相同的梯度超晶格单元。

所述的超构单元具体包括：

介质层位于双层金属层中间，介质层的上表面和下表面的金属层为以介质层x轴为对称轴的对称结构，且两层金属层为完全相同的金属结构。

所述的梯度超晶格单元具体包括：

梯度超晶格单元包含8个超构单元，每个超构单元的宽边与介质层的宽边水平，每个超构单元的长边与介质层的长边水平，每个超构单元中的金属层均为长条形结构；8个超构单元中的金属条的宽度相同，均为130μm；8个超构单元中的金属条的厚度相同，均为44μm；8个超构单元中的金属条的长度依次递增，分别为62.5μm、88.5μm、94μm、97μm、99.5μm、103μm、108.5μm、127.5μm；8个超构单元x方向的对称轴与介质层x方向的对称轴水平，以y方向的对称轴为标准，等间距的分布在介质层表面；梯度超晶格单元的梯度相位覆盖为0-2π。

所述的介质层具体包括：

介质层的材料为苯并环丁烯，介质层的厚度为几十微米量级。

与现在技术相比，本发明的有益效果如下：

突破了惠更斯超构表面主要在微波段和光波段的设计研究，实现了在太赫兹波段的高效惠更斯超构表面的设计；本发明中设计的结构更为简单，大大降低了制作和加工的难度；能够在线性偏振光垂直入射的情况下实现透射光的异常折射现象，并且当线性偏振光以某些角度倾斜入射时，同样会出现异常折射的现象；本发明实现的异常折射的效率非常高，不仅是在垂直入射时，在线性偏振光倾斜入射的时候，效率仍非常可观。

附图说明

图1为惠更斯超构表面理论示意图；

图2为金属结构是条形结构时惠更斯超构表面结构单元三视图；

图3为金属结构是条形结构时惠更斯超构表面周期结构主视图；

图4为本发明在线性偏振光垂直入射情况下实现异常折射的示意图；

图5为本发明在线性偏振光垂直入射时的电场图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细介绍：

图1所示为惠更斯超构表面原理图，由广义边界传输条件得知，惠更斯超构表面存在着表面阻抗Z_es和表面导纳Y_ms的特性，同时在正切方向存在不连续的电场和磁场分量。

其中，

和

分别表示图一薄板边界中的E₁,H₁,E₂,H₂。

表示的是边界的单元矢量。众所周知，表面阻抗Z_es和表面导纳Y_ms在公式中都是张量，也就表示可以利用惠更斯超构表面调控电磁波的振幅，相位以及偏振态。本发明所设计的惠更斯超构表面主要研究有效的透射以及在保持偏振态不变的情况下，控制透射光的偏振角度。因为本发明主要研究线性偏振光并且不包括偏振，所以表面阻抗Z_es和表面导纳Y_ms可以简化成标量。惠更斯超构表面的在单边入射下的电磁场可以用下图1进行表示，两边的正切电场表达式如下：

结合公式(1)和(2)，得到：

引入自由空间中的波阻抗

公式(3)可以写成下面的形式：

利用结构的反射和透射的特征将表面阻抗Z_es和表面导纳Y_ms直接联系起来，可以非常简单地来设计惠更斯超构表面，从而实现线性偏振光透射型的异常折射现象。

本发明可实现对线性偏振光的透射方向的控制，因为线性偏振光的入射场不包括偏振，因此惠更斯超构表面存在的表面阻抗和表面导纳都是标量，这也就表明可以利用惠更斯超构表面来控制电磁场的振幅、相位以及偏振态。本发明中所设计的太赫兹波段惠更斯超构表面主要集中在零反射，提高透射率并且在维持偏振状态不变的情况下，控制透射电磁波的方向，在太赫兹频率下能够实现反射为零的线性偏振波的调制；在线偏振光垂直入射的情况下能够实现高效的透射光的异常折射现象。当线性偏振光以某些角度倾斜入射到该设计的惠更斯超构表面当中时，同样会有异常折射的现象出现，并且效率非常高。通过设计惠更斯超构表面的超构单元的尺寸大小实现梯度相位覆盖0-2π。

如图2所示，本发明中的太赫兹波段透射式惠更斯超构表面主要包括介质层和双层梯度超晶格单元，双层梯度超晶格单元由多个超构单元组成，超构单元由双层金属层和介质层组成，超晶格单元中的超构单元结构为可产生相位梯度的不同金属结构；介质层位于双层梯度超晶格单元中间，介质层的上表面为由超构单元组成梯度超晶格单元，介质层的下表面为与介质层上表面结构完全相同的梯度超晶格单元。介质层位于双层金属层中间，介质层的上表面和下表面的金属层为以介质层x轴为对称轴的对称结构，且两层金属层为完全相同的金属结构。

梯度超晶格单元包含多个超构单元，每个超构单元的宽边与介质层的宽边水平，每个超构单元的长边与介质层的长边水平，每个超构单元x方向的对称轴与介质层x方向的对称轴水平，不同超构单元以介质层y方向的对称轴为标准，等间距的分布在介质层表面；梯度超晶格单元的梯度相位覆盖为0-2π。

本发明中的惠更斯超构表面超构单元的金属层结构可以选取条形结构、U形结构以及十字结构等。在两层金属层结构中间加入介质材料，且介质材料的厚度为几十微米量级。在设计惠更斯超构表面的梯度超晶格单元时，可以选取几个或十几个超构单元，在一个梯度超晶格单元中的金属结构之间可以具有不同的相位，尺寸大小或者是不同的形状。

实施例：

如图3所示，针对现有惠更斯超构表面在工作波段上的不足，且大多数的惠更斯超构表面主要实现反射式的光场调控，设计了在太赫兹波段的透射式的高效惠更斯超构表面。在本例中，所设计的超构单元由两层金属组成的金属线结构和介质材料为苯并环丁烯的介质层组成。在一个周期当中，间隔层的长P_y＝220μm,宽P_x＝130μm以及厚度h＝44μm。八个金属线结构的宽度都设为a₂＝24μm，长度a₁分别为62.5μm、88.5μm、94μm、97μm、99.5μm、103μm、108.5μm以及127.5μm。在线性偏振光垂直入射的情况下，在特定频率能够实现异常折射角度为19.84°，效率高达66％。上述的太赫兹波段透射式惠更斯超构表面在线性偏振光垂直入射的时候实现图如图4所示。线性偏振光垂直入射时的电场图如图5所示。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种太赫兹波段透射式惠更斯超构表面，包括双层梯度超晶格单元，双层梯度超晶格单元由多个超构单元组成，超构单元由双层金属层和介质层组成，双层梯度超晶格单元中的超构单元结构具有可产生相位梯度的不同金属结构；介质层位于双层梯度超晶格单元中间；

所述的超构单元具体包括：

介质层位于双层金属层中间，介质层的上表面和下表面的金属层为以介质层x轴为对称轴的对称结构，且两层金属层为完全相同的金属结构；

所述的双层梯度超晶格单元具体包括：

双层梯度超晶格单元包含8个超构单元，每个超构单元的金属层宽边与介质层的宽边平行，每个超构单元金属层的长边与介质层的长边平行，每个超构单元中的金属层均为长条形结构；8个超构单元中的金属条的宽度相同，均为130μm；8个超构单元中的金属条的厚度相同，均为44μm；8个超构单元中的金属条的长度依次递增，分别为62.5μm、88.5μm、94μm、97μm、99.5μm、103μm、108.5μm、127.5μm；8个超构单元金属层x方向的对称轴与介质层x方向的对称轴水平，以y方向的对称轴为标准，等间距的分布在介质层表面；双层梯度超晶格单元的梯度相位覆盖为0-2π；

所述惠更斯超构表面能够实现线性偏振光垂直入射时的异常折射现象，同时可以实现线性偏振光倾斜入射时的异常折射现象，并且能够实现2π的相位覆盖；

所述惠更斯超构表面，能够提高透射率，并且能够在维持偏振状态不变的情况下，控制透射电磁波的方向。

2.根据权利要求1所述的太赫兹波段透射式惠更斯超构表面，其特征在于，所述的介质层具体包括：

介质层的材料为苯并环丁烯，介质层的厚度为几十微米量级。

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