CN110221365A - 一种太赫兹频段的反射式偏振转换器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太赫兹频段的反射式偏振转换器件。包括至少一个周期性结构单元，周期性结构单元由上面金属层‑介质层‑下面金属层三层结构组成，上面金属层为具有周期性的亚波长阵列孔结构，中间是介质层；上面金属层通过化学刻蚀形成了具有对称的双L形凹槽的周期性亚波长阵列结构，双L形凹槽开设布置在上面金属层的中间且相对分离布置，且双L形凹槽以上面金属层的对角线对称布置；每个L形凹槽是由两个条形通槽以L形垂直连接构成，L形的两边长度相等且宽度相等。本发明实现了太赫兹频段的反射式的线偏振和圆偏振转换，在太赫兹雷达、成像和通信系统中有重要应用。

Description

一种太赫兹频段的反射式偏振转换器件
技术领域
本发明涉及了太赫兹波偏振转换领域和超材料表面领域，特别是涉及利用太赫兹波在超表面激发的表面等离子体共振实现太赫兹波的反射式偏振转换。
背景技术
太赫兹辐射是电磁波谱中的一个具有独特电磁特性的频段，位于微波与红外辐射之间。由于所处频段的特殊性，太赫兹波段表现出许多不可替代的优点和优良的应用价值。比如太赫兹波对许多介电材料(如塑料、泡沫、陶瓷等)具有优良的穿透性，能用于特殊场合的安全检查和质量检测；光子能量较低具有较高的安全性能用于生物检测；具有高的光谱分辨能力，可用于光谱成像、诊断病变细胞、探测危险物品等。
偏振是电磁波的重要特征，用电场矢量E的振荡轨迹来描述。电场矢量在空间中的轨迹为直线、圆和椭圆时，相应的偏振态为线偏振、圆偏振和椭圆偏振。太赫兹偏振转换器用于改变太赫兹波的偏振状态，实现线偏振与圆偏振、垂直偏振和水平偏振之间的转换，在太赫兹波的应用中起着重要作用，如无线通信、成像、探测和雷达等。
超表面是一种具有周期性亚波长结构单元的人工电磁材料，用于实现自然界材料中不存在的电磁特性。超表面具有可设计和可控制的结构参数，易于加工，并在调控相位、振幅、偏振及阻抗等方面具有优越性，因而在电磁材料领域拥有广泛的应用价值。具有金属孔阵列结构的超表面，能在太赫兹波入射时产生表面等离子体共振，这种电磁共振态经过叠加，产生了与入射波电场垂直的电场分量，并以反射波的形式辐射出去。
偏振转换器的设计通常主要关注如下方面：1、偏振转换率，即经过偏振转换器以后发生偏振转换的能量与辐射出的总能量的比值。2、损耗，即偏振转换过程中引起的能量损耗。3、器件尺寸，即实现偏振转换作用的器件的空间大小。
传统的偏振转换方法是利用双折射晶体，电磁波在其中传播时沿不同方向会存在不同的折射率，从而在一定的材料厚度和电磁波频率下形成所需的相位差。这种方法的缺点在于空间尺寸大不利于光学系统集成，偏振转换效率低，能量损耗大等。而将超表面用于偏振转换，可以在小空间尺寸、低能量损耗的条件下实现高的偏振转化效率。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供的是一种应用于太赫兹频段的基于金属超表面的反射式偏振转换器件，实现了太赫兹频段的反射式的线偏振和圆偏振转换，在太赫兹雷达、成像和通信系统中有重要应用。
本发明采用的技术方案是：
本发明包括至少一个周期性结构单元，周期性结构单元由上面金属层-介质层-下面金属层三层结构组成，上面金属层为具有周期性的亚波长阵列孔结构，中间是介质层；上面金属层通过化学刻蚀形成了具有对称的双L形凹槽的周期性亚波长阵列结构，双L形凹槽开设布置在上面金属层的中间且相对分离布置，且双L形凹槽以上面金属层的对角线对称布置；每个L形凹槽是由两个条形通槽以L形垂直连接构成，L形的两边长度相等且宽度相等。
本发明的太赫兹波在金属表面激发的表面等离子体共振经过叠加产生了偏振转换效果。本发明所述的太赫兹反射式偏振转换器，具有六个共振频率点，其中两个共振频率点为线偏振共振频率点，四个共振频率点为圆偏振共振频率点。本发明的太赫兹反射式偏振转换器，能将垂直于上面金属层上表面入射的偏振态的入射波转换成与自身偏振方向垂直的反射波，入射波为偏振波，在两个线偏振共振频率点将水平偏振的入射波反射完全转化为垂直偏振的反射波，同时能在另外四个圆偏振共振频率点将水平偏振的入射波反射完全转化为圆偏振的反射波，在其余频率范围转化为椭圆偏振的反射波。
所述的上面金属层和下面金属层的材料均采用铝，中间的介质层的材料是石英玻璃(SiO2)。
所述的上面金属层和下面金属层的外边缘延伸平齐于介质层的外边缘。
所述的上面金属层、介质层和下面金属层均为正方形结构。
所述的两种发生完全偏振转换的共振频点，共振模式不一样：针对两个线偏振共振频率点的较低频点处的入射波，L形凹槽结构中的两个条形通槽中的电场方向分别指向上面金属层的中心和远离上面金属层的中心，形成反相共振模式；针对两个线偏振共振频率点的较高频点处的入射波，L形凹槽结构中的两个条形通槽中的电场方向同时指向上面金属层的中心或同时远离上面金属层的中心，形成同相共振模式；针对四个圆偏振共振频率点处的入射波，反射波在入射波偏振方向和垂直于入射波偏振方向上的两个电场分量振幅相等，相位差为90度或-90度。
在其余频率范围，只有部分入射波发生偏振转换，反射波均为椭圆偏振波。
具体实施包括多个周期性结构单元，多个周期性结构单元在同一平面紧密阵列均布布置。
本发明的工作原理如下：水平线偏振的太赫兹波入射到上面金属层的上表面时，按照上面金属层的两条对角线方向，可正交分解为两个电磁波分量。其中一个电磁波分量在满足波矢匹配的条件下会在上面金属层上表面激发出电场方向垂直于金属表面的表面等离子体，这个电磁波分量用E1表征。另一个电磁波分量直接在上面金属层上表面完全反射，这个电磁波分量用E2表征。由E1表征的电磁波激发的表面等离子体沿着上面金属层的上表面传播到双L形凹槽处，在双L形凹槽的耦合作用下，在双L形凹槽的槽内壁形成电场方向垂直于槽内壁表面的电磁波，再经双L形凹槽传播到上面金属层的下表面，激发出垂直于上面金属层下表面的表面等离子体。表面等离子体沿着上面金属层下表面传播，然后再次转化为由E1表征的电磁波，经过介质层传播到下面金属层，在下面金属层上表面被全反射回到上面金属层下表面，再次激发出表面等离子体。表面等离子体在上面金属层下表面传播到双L形凹槽，在双L形凹槽中恢复为电场方向垂直于槽内壁表面的电磁波。电磁波经过双L形凹槽传播回到上面金属层的上表面，激发出表面等离子体并沿表面传播，然后再恢复为由E1表征的电磁波离开上面金属层的上表面。由E1表征的电磁波与直接在上面金属层上表面完全反射的由E2表征的电磁波叠加形成反射波。因为由E1表征的电磁波在上面金属层激发形成表面等离子体共振，因此引入的相位偏移量为0度，而由E2表征的电磁波在上面金属层上表面完全反射，因此引入的相位偏移量为-180度。所以反射状态的由E1和E2表征的电磁波相位差为180度，因此叠加形成具有与入射波偏振方向垂直的电场分量的反射波。
本发明的有益效果是：
本发明是采用具有对称双L形凹槽的金属超表面实现的反射式偏振转换器，在工作频段内能实现双峰的偏振转换，将入射的水平偏振的太赫兹波在两个共振频率点转换成垂直偏振波，并在另外四个频点处实现圆偏振转换。器件的空间尺寸小便于光学系统集成，反射波能量损耗几乎可以忽略，在双峰处的线偏振转换的转换效率接近100％。在具体应用中，可根据场景要求的频率值重新设计本发明所述的偏振转换器的结构参数。所需材料成本低，图形结构简单，容易加工。
附图说明
图1为本发明周期性结构单元上面金属层和下面金属层的表面示意图。
图2为本发明周期性结构单元上面金属层、中间层介质和下面金属层叠放的侧面示意图。
图3为本发明的具有周期性金属孔阵列结构的上表面整体结构示意图。
图4为实施例在水平线偏振波入射时，产生垂直线偏振波的反射谱。
图5为实施例在水平线偏振波入射时，产生垂直线偏振波的偏振转换率(polarization conversion ratio,PCR)图。
图6为实施例在水平线偏振波入射时，产生左旋圆偏振和右旋圆偏振波的反射谱。
图7为实施例在水平线偏振波入射时，产生左旋圆偏振和右旋圆偏振波的相位差(反射波中垂直电场与水平电场的相位之差)图。
图中：1、上面金属层，2、中间介质层，3、下面金属层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明：
附图1和附图2中所采用的空间直角坐标系，是以上面金属层表面的水平方向为x方向，以垂直方向为y方向，以上面金属层表面的法线方向为z方向。
本发明的周期性结构单元的上下层结构和垂直方向叠放结构分别如图1和图2所示。附图1的左右分别为上面金属层和下面金属层的平面结构示意。
如图2所示，本发明的周期性结构单元由上面金属层-介质层-下面金属层三层结构组成，上面金属层为具有周期性的亚波长阵列孔结构，刻蚀有图形结构；中间是介质层，起到支撑上层结构和传递太赫兹波的作用；下面金属层不做结构，为整块表面的金属结构，起到对太赫兹波的反射作用。
如图1所示，上面金属层、介质层和下面金属层均为正方形结构且外尺寸相同，上面金属层通过化学刻蚀形成了具有对称的双L形凹槽的周期性亚波长阵列结构，双L形凹槽开设布置在上面金属层的中间且相对分离布置，两个双L形凹槽布置后形成一对角设有缺口类似形态的方环结构并置于上面金属层的中央，且双L形凹槽以上面金属层的对角线对称布置，双L形凹槽的对称轴与上面金属层的任意一边呈45度夹角，两条对角线均作为对称轴；每个L形凹槽是由两个条形通槽以L形垂直连接构成，L形的两边长度相等且宽度相等。
周期性的金属凹槽，能在太赫兹入射到金属表面满足波矢匹配条件下激发出表面等离子体共振，产生的电场经过上面金属层膜的孔槽结构的传递和下面金属层膜的反射作用，最终形成具有偏振转换性质的电场分量。
具体实施中，多个周期性结构单元构成的具有周期性金属孔阵列结构如图3所示。
本发明的具体实施例及其工作过程如下：
本发明提供的反射式太赫兹偏振转换器的实例的基本尺寸如图1和图2所示。在上面金属层膜中，每个周期性单元结构的平面尺寸均为边长为p＝400μm的正方形，L形凹槽的长度为l＝240μm，宽度为w＝50μm，两个L形凹槽的边缘距离为a＝120μm。在z方向，上面金属层膜的厚度为dm1＝1μm，下面金属层膜的厚度为dm2＝1μm，中间介质层的厚度为d＝892μm。上层和下面金属层膜的材质为铝，中间层介质的材料为石英玻璃(SiO2)。
本实施例在实施工程中，使用电磁仿真软件CST对实施例进行周期性单元结构的建模，并通过频域计算方法进行仿真，研究了实施例在频率为0.265THz-0.355THz区间的水平线偏振波入射时产生的反射波的电磁特性。
实施例1：水平线偏振波入射时，在f1和f2处产生垂直线偏振波。如图4的反射功率谱所示，当入射波为水平线偏振波时，在频率点为f1＝0.288THz和f2＝0.342THz处，反射波中水平线偏振波功率为0，而垂直线偏振波功率接近100％。如图5所示，偏振转换率在频率点为f1和f2处的值接近100％，这说明入射波的能量在这两个频点发生了几乎完全的线偏振转换。通过对f1和f2处的电场仿真可以发现，两个频点处的共振模式不一样。在较低频点f1处，L形孔结构中的两个矩形孔中的电场方向为一个指向中心点，一个远离中心点，这种共振模式为反相共振模式。在较高频点f2处，L形孔结构中的两个矩形孔中的电场方向为同时指向中心点或同时远离中心点，这种共振模式为同相共振模式。
实施例2：水平线偏振波入射时，在f3和f6处产生右旋圆极化波。如图6所示，在频点为f3＝0.283THz和f6＝0.344THz处，反射波中水平偏振波与垂直偏振波的反射率均为50％，因此两者的电场强度是相等的。又因为图7中f3和f6对应的垂直电场与水平方向电场的相位差均为-90度，因此在f3和f6处的反射波为右旋圆极化波。
实施例3：水平线偏振波入射时，在f4和f5处产生左旋圆极化波。如图6所示，在频点为f4＝0.296THz和f5＝0.340THz处，反射波中水平偏振波与垂直偏振波的反射率均为50％，因此两者的电场强度是相等的。又因为图7中f4和f5对应的垂直电场与水平方向电场的相位差均为90度，因此在f4和f5处的反射波为左旋圆极化波。
实施例4：水平线偏振波入射时，在其余频点产生椭圆偏振波。如图6和图7所示，其余频点处的反射波中水平方向电场强度与水平方向电场强度不等大，且相位差为90度或-90度，因此反射波为椭圆偏振波。
本发明实施例的线偏振和左旋圆偏振、右旋圆偏振特性的工作频点是由周期性单元结构的尺寸和金属凹槽尺寸所决定的，可通过调整尺寸改变工作频点。
以上所述，仅是本发明在0.265THz-0.355THz特定频率范围的较佳实例而已，并非对本发明作任何形式上的限定，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实例，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实例所作的任何的简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种太赫兹频段的反射式偏振转换器件，其特征在于：包括至少一个周期性结构单元，周期性结构单元由上面金属层-介质层-下面金属层三层结构组成，上面金属层为具有周期性的亚波长阵列孔结构，中间是介质层；上面金属层通过化学刻蚀形成了具有对称的双L形凹槽的周期性亚波长阵列结构，双L形凹槽开设布置在上面金属层的中间且相对分离布置，且双L形凹槽以上面金属层的对角线对称布置；每个L形凹槽是由两个条形通槽以L形垂直连接构成，L形的两边长度相等且宽度相等。
2.根据权利要求1所述的一种太赫兹频段的反射式偏振转换器件，其特征在于：所述的太赫兹反射式偏振转换器，具有六个共振频率点，其中两个共振频率点为线偏振共振频率点，四个共振频率点为圆偏振共振频率点能将垂直于上面金属层上表面入射的偏振态的入射波转换成与自身偏振方向垂直的反射波，在两个线偏振共振频率点将水平偏振的入射波反射完全转化为垂直偏振的反射波，同时能在另外四个圆偏振共振频率点将水平偏振的入射波反射完全转化为圆偏振的反射波，在其余频率范围转化为椭圆偏振的反射波。
3.根据权利要求1所述的一种太赫兹频段的反射式偏振转换器件，其特征在于：所述的上面金属层和下面金属层的材料均采用铝，中间的介质层的材料是石英玻璃(SiO2)。
4.根据权利要求1所述的一种太赫兹频段的反射式偏振转换器件，其特征在于：所述的上面金属层和下面金属层的外边缘延伸平齐于介质层的外边缘。
5.根据权利要求1所述的一种太赫兹频段的反射式偏振转换器件，其特征在于：所述的上面金属层、介质层和下面金属层均为正方形结构。
6.根据权利要求1所述的一种太赫兹频段的反射式偏振转换器件，其特征在于：所述的两种发生完全偏振转换的共振频点，共振模式不一样：针对两个线偏振共振频率点的较低频点处的入射波，L形凹槽结构中的两个条形通槽中的电场方向分别指向上面金属层的中心和远离上面金属层的中心，形成反相共振模式；针对两个线偏振共振频率点的较高频点处的入射波，L形凹槽结构中的两个条形通槽中的电场方向同时指向上面金属层的中心或同时远离上面金属层的中心，形成同相共振模式；针对四个圆偏振共振频率点处的入射波，反射波在入射波偏振方向和垂直于入射波偏振方向上的两个电场分量振幅相等，相位差为90度或-90度。
7.根据权利要求1所述的一种太赫兹频段的反射式偏振转换器件，其特征在于：包括多个周期性结构单元，多个周期性结构单元在同一平面紧密阵列均布布置。
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