CN110364821A - 超宽带太赫兹非对称传输器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超宽带太赫兹非对称传输器件，该器件包括三层金属阵列及其中间的介质层，每个结构单元由顶层的沿水平方向的亚波长光栅、中心对称双L形金属贴片、底层的沿垂直方向的亚波长光栅和金属层之间的介质层组成。当x极化波正向垂直入射到器件表面时，太赫兹波几乎完全反射。当x极化波反向垂直入射到器件表面时，太赫兹波几乎完全透射。利用同一极化波正向和反向入射到器件表面时的透射率不同，该器件在0.2‑2.0THz频率范围内实现了电磁波的非对称传输。

Description

超宽带太赫兹非对称传输器件
技术领域
本发明涉及太赫兹非对称传输器件，具体是一种基于超材料的超宽带太赫兹非对称传输器件。
背景技术
太赫兹波通常指位于微波和红外光之间、频率范围为0.1～10THz的电磁波，处于电磁波谱上由电子学向光子学过渡的区域。与微波、毫米波相比，太赫兹波波长更短，空间分辨率更高；与红外波段相比，太赫兹波能更好地适应恶劣天气；与X射线相比，太赫兹波不会对非极性物质产生破坏作用，因此太赫兹技术在雷达、医学、成像、检测等方面有巨大的应用前景。此外，太赫兹波通信具有容量大、方向性好、保密性及抗干扰能力强等优点，已被许多国家和地区列为第六代移动通信技术的主要研究内容。太赫兹技术在科研和工程上有着重要的研究价值，是当今世界的研究热点之一。
电磁波的非对称传输指的是电磁波从不同方向入射到媒质后会表现出不同的传输特性，这些特性包括且不局限于透射特性、反射特性、吸收特性、极化转换特性等。非对称传输器件可以用作极化控制器件、与方向相关的极化转换器、环形器、极化敏感的滤波器等，在传感、成像等方面有诸多应用。现有的太赫兹非对称传输器件大都存在非对称现象不够明显、工作带宽较窄等缺点，因此有必要设计一款超宽带的太赫兹非对称现象器件。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中太赫兹非对称传输器件较少、工作带宽较窄、非对称传输参数较小等影响器件在太赫兹波段实际应用的问题，提出了一种基于超材料的超宽带太赫兹非对称传输器件。
实现本发明目的采用的技术方案如下：
提供一种基于超材料的超宽带太赫兹非对称传输器件，包括若干具有亚波长周期结构的超材料单元；所述超材料单元包括三层金属层以及第一层金属层与第二层金属层之间、第二层金属层与第三层金属层之间的介质层；第一层金属层和第三层金属层具有亚波长金属光栅结构；第二层金属层具有呈中心对称的双L形贴片。超材料单元沿x和/或y方向排列为阵列。该器件的基本组成单元由三层金属层及其中间的介质层组成。其作用在于利用线极化波正向和反向入射到器件表面时透射率的不同，用于调控太赫兹波的传播方向。
所述超材料单元的表面为矩形，第一层金属层上的亚波长金属光栅结构的光栅沿水平方向，其长度与超材料单元的长相同，宽度和光栅周期根据对实际加工可行性，以及对器件尺寸的要求确定。第三层金属层上的亚波长金属光栅结构的光栅沿竖直方向，其长度与超材料单元的宽相同，宽度和光栅周期根据对实际加工可行性，以及对器件尺寸的要求确定。
具体实施例中超材料单元的表面可以为正方形。
所述中心对称的双L形贴片由两个相同的L形贴片组成，且两个L形贴片的间隔为0。
所述L形贴片，由三个矩形贴片组成，其结构尺寸根据实际加工可行性，以及对器件尺寸的要求确定。
所述金属层材料为金属金、铜、铝中的一种。所述介质层材料为石英。
本发明的一个技术方案中实现非对称传输的机制是结合光栅和极化转换器对两种线极化波的不同特性，使入射波发生透射或被反射。x极化波正向入射到器件表面时，被顶层沿水平方向的亚波长金属光栅反射，无法穿过器件；而当x极化波反向入射到器件表面时，能穿过底层沿垂直方向的亚波长金属光栅，然后被中间的双L贴片转换为y极化波，再通过顶层光栅透射出去，因此表现出明显的非对称传输现象。
本发明的一个技术方案结构简单、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。
附图说明
图1基于超材料的超宽带太赫兹非对称传输器件平面结构示意图；
图2非对称传输器件的透射谱线；
图3基于超材料的超宽带太赫兹非对称传输器件的非对称传输参数。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步阐述，仅用于解释本发明，不是对本发明的限定。
以工作频段为0.2-2.0THz的非对称传输器件为例。图1是太赫兹非对称传输器件的单元结构示意图，器件包括三层金属阵列及其中间的介质层，每个亚波长周期结构的超材料单元由顶层的沿水平方向的亚波长金属光栅、中间的中心对称的双L形金属贴片、底层的沿垂直方向的亚波长金属光栅和金属层之间的介质层组成。x极化波正向入射到器件表面时，被顶层沿水平方向的亚波长金属光栅反射，无法穿过器件；而当x极化波反向入射到器件表面时，能穿过底层沿垂直方向的亚波长金属光栅，然后被中间的双L贴片转换为y极化波，再通过顶层光栅透射出去。
所述亚波长周期结构的超材料单元周期为76.0μm，沿x、y方向排列为阵列。
所述顶层沿水平方向的光栅，长为76.0μm，宽为f1＝10.0μm，周期为f＝15.0μm，沿垂直方向排列为阵列。
所述中间层中心对称双L形贴片，由两个相同L形贴片组成，两个L形贴片的间隔为0。L形贴片由三个矩形贴片组成，三个矩形贴片长分别为h＝58μm,l＝38μm,l1＝11μm，宽分别为w3＝9μm,w2＝9μm,w3＝14μm。
所述底层沿垂直方向的光栅，长为76.0μm，宽为ff1＝11.0μm，周期为ff＝24.0μm，沿水平方向排列为阵列。
所述金属层材料为金属铜，厚度为0.5μm。
所述介质层材料为石英，厚度为30μm。
图2(a)为实施示例中线极化波正向入射到三层超材料时的透射谱线图，横坐标标注的Frequency表示频率，单位为THz；纵坐标标注的Transmission表示太赫兹波的透射谱线。由图可知，当太赫兹波正向垂直入射到超材料表面时，交叉极化转换系数txy≠tyx，其中在0.362～1.744THz范围内，txy＞0.85而tyx接近0，这表明x极化波正向垂直入射时，几乎被完全反射，而y极化波正向垂直入射时，绝大部分被转换成x极化波透射。
图2(b)为线极化波反向入射到三层超材料时的透射谱线图，可以看到，txx和tyy均接近0，0.362～1.744THz范围内，tyx＞0.85，这表明x极化波反向垂直入射时，绝大部分被转换成y极化波透射，而y极化波反向垂直入射时，几乎被完全反射。
图3为线极化波正向垂直入射到基于超材料的宽带太赫兹非对称传输器件时的非对称传输参数。由图可知在0.370～1.728THz范围内，△x＞0.8，带宽为1.358THz，相对带宽为129.5％，这表明所设计的器件在超宽带范围内实现了良好的非对称传输性能。同时在0.896THz处，△y达到峰值0.958。
尽管已经描述和示出了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变形，本发明的范围由权利要求及其同等物限定。

Claims (9)

1.超宽带太赫兹非对称传输器件，其特征在于：包括若干具有亚波长周期结构的超材料单元；所述超材料单元包括三层金属层以及第一层金属层与第二层金属层之间、第二层金属层与第三层金属层之间的介质层；第一金属层和第三层金属层具有亚波长金属光栅结构；第二层金属层具有呈中心对称的双L形贴片。
2.根据权利要求1所述超宽带太赫兹非对称传输器件，其特征在于：所述超材料单元沿x和/或y方向排列为阵列。
3.根据权利要求1所述超宽带太赫兹非对称传输器件，其特征在于：所述超材料单元的表面为矩形，第一层金属层上的亚波长金属光栅结构的光栅沿水平方向，其长度与超材料单元的长相同，第三层金属层上的亚波长金属光栅结构的光栅沿竖直方向，其长度与超材料单元的宽相同。
4.根据权利要求3所述超宽带太赫兹非对称传输器件，其特征在于：所述超材料单元的表面为正方形。
5.根据权利要求1所述超宽带太赫兹非对称传输器件，其特征在于：所述呈中心对称的双L形贴片由两个相同的L形贴片组成，且两个L形贴片的间隔为0。
6.根据权利要求5所述超宽带太赫兹非对称传输器件，其特征在于：所述L形贴片由三个矩形贴片组成。
7.根据权利要求5所述超宽带太赫兹非对称传输器件，其特征在于：所述第二层金属层中具有一个呈中心对称的双L形贴片。
8.根据权利要求1-7任一项所述超宽带太赫兹非对称传输器件，其特征在于：所述三层金属层材料选用金、铜或铝，所述介质层材料为石英。
9.根据权利要求8所述超宽带太赫兹非对称传输器件，其特征在于：所述介质层厚度为30μm，所述金属层厚度为0.5μm。
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