CN110456426A - 亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片 - Google Patents

亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片，由纯硅介质基底与介质柱阵列构成，在直径1～12英寸、厚度100～2000μm的高阻硅片上按照超材料结构布图设计、采用光刻技术一次成型制作的介质柱阵列位于长方体基底正上方，沿水平轴向X与垂直轴向Y双方向，介质柱阵列由介质柱阵列最小结构周期单元周期性排布构成，介质柱阵列最小结构周期单元包括两个介质柱，上述二个介质柱中心距离同水平轴向X周期相等。本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片具有设计合理、结构简单、在0.1～10THz频率范围内各单一工作频率下均可同时实现1/4和1/2波片功能、便于应用的特点。

Description

亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片
一、技术领域
本发明涉及一种亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片。
二、背景技术
偏振是电磁波的基本属性之一，它是信息传输十分重要的载体。偏振转化器件是指用来调控电磁波偏振的一类器件，它可以将入射电磁波的偏振态转化为另一种偏振态，对于电磁波技术的实际应用具有重要的意义。传统的偏振转化器件主要是基于自然界中的双折射晶体，借由两个正交极化波之间存在的相位延迟来调控电磁波的偏振态。当相位差满足π/2或π时，就能够实现1/4或1/2波片的功能。其中，1/4波片可以实现线偏振态到圆偏振态转化的功能，而1/2波片则可以实现将线偏振态旋转90°的功能。虽然一些天然晶体在太赫兹波段也体现出一定的双折射特性，但往往双折射系数偏低，导致器件整体尺寸偏大，不符合未来器件系统的集成化和小型化的趋势。近些年来，超材料的兴起为太赫兹偏振转化器件的设计开发开辟了一条全新的道路。超材料是指具有亚波长的周期或准周期结构的人工微结构材料。超材料特殊的电磁特性较大程度上取决于超材料的结构，通过合理设计超材料的几何结构，能够灵活地调控电磁波的属性。然而，目前报道的超材料太赫兹偏振转化器件不仅工作频率单一，而且在单一工作频率下仅具有唯一功能，不能满足器件系统多样化和集成化需求。
三、发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种在0.1～10THz频率范围内各单一工作频率下的亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片。
本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片的技术方案是这样实现的：亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片，由纯硅介质基底与介质柱阵列构成，在直径1～12英寸、厚度100～2000μm高阻硅片上按照超材料结构布图设计、采用光刻技术一次成型制作的介质柱阵列位于长方体基底正上方，介质柱阵列高度h为20～500μm，基底长度为1～215mm、宽度为1～215mm、基底高度H为上述高阻硅片采用光刻技术一次成型制作介质柱阵列后的剩余厚度，沿水平轴向X与垂直轴向Y双方向，介质柱阵列由介质柱阵列最小结构周期单元周期性排布构成，介质柱阵列最小结构周期单元包括介质柱阵列最小结构周期单元第一介质柱与介质柱阵列最小结构周期单元第二介质柱，介质柱阵列最小结构周期单元沿水平轴向X的周期PX为15～200μm、沿垂直轴向Y的周期PY为30～400μm，介质柱阵列最小结构周期单元第一介质柱长度a1为8.1～118.0μm、介质柱阵列最小结构周期单元第一介质柱宽度b1为5.3～69.0μm、介质柱阵列最小结构周期单元第一介质柱长度a1与介质柱阵列最小结构周期单元第一介质柱高度h所在平面与水平轴向X间夹角θ1为10～80°，介质柱阵列最小结构周期单元第二介质柱长度a2为6.9～92.0μm、介质柱阵列最小结构周期单元第二介质柱宽度b2为4.8～69.0μm、介质柱阵列最小结构周期单元第二介质柱长度a2与介质柱阵列最小结构周期单元第二介质柱高度h所在平面与水平轴向X间夹角θ2为10～80°，介质柱阵列最小结构周期单元第一介质柱中心与介质柱阵列最小结构周期单元第二介质柱(2-1-2)中心距离D同PX相等。
本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片的制作方法依次包括如下步骤：
(1)、通过L-edit软件绘制所设计超材料结构对应的掩膜版文件，并使用高精度激光打印机打印直径5英寸的铬制掩膜版；
(2)、利用金属真空溅射机在高阻硅片上蒸镀100nm厚的铬金属，并在上述蒸镀后的铬金属表面旋涂4μm厚的光刻胶；
(3)、利用步骤(1)制作的铬制掩膜版和光刻机对光刻胶层进行光刻，将超材料结构转印到光刻胶层(部分铬金属层裸露出来)，再利用铬刻蚀剂进行湿刻，将超材料结构进一步转印到铬金属层(部分高阻硅片裸露出来)；
(4)、通过离子束刻蚀机对裸露的高阻硅片部分进行深度反应离子刻蚀，直到刻蚀深度达到20～500μm，其过程中交替使用刻蚀气体SF6和钝化气体C4F8；
(5)、刻蚀结束后，利用铬刻蚀剂除去材料表面的铬金属层，再用食人鱼溶液对整个材料进行清洗。
本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片的使用方法如下：使线偏振太赫兹电磁波垂直入射本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片表面，入射线偏振太赫兹电磁波的偏振方向决定了本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片的偏振态调制功能，即1/4或1/2波片。
本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片具有设计合理、结构简单、在0.1～10THz频率范围内各单一工作频率下均可同时实现1/4和1/2波片功能、便于应用的特点。
四、附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
图1是本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片的结构示意图；
图2是本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片的介质柱阵列最小结构周期单元示意图；
图3是实施例1中本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片在不同线偏振入射条件下透射太赫兹波的椭偏度-频率曲线；
图4是实施例1中本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片在不同线偏振入射条件下0.79THz工作频率处透射太赫兹波偏振电场轨迹；
图5是实施例2中本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片在不同线偏振入射条件下透射太赫兹波的椭偏度-频率曲线；
图6是实施例2中本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片在不同线偏振入射条件下1THz工作频率处透射太赫兹波偏振电场轨迹；
图7是实施例3中本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片在不同线偏振入射条件下透射太赫兹波的椭偏度-频率曲线；
图8是实施例3中本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片在不同线偏振入射条件下5.06THz工作频率处透射太赫兹波偏振电场轨迹；
图9是实施例4中本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片在不同线偏振入射条件下透射太赫兹波的椭偏度-频率曲线；
图10是实施例4中本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片在不同线偏振入射条件下9.96THz工作频率处透射太赫兹波偏振电场轨迹。
图中：基底1 基底1厚度H 介质柱阵列2 介质柱阵列2高度h 介质柱阵列最小结构周期单元2-1 介质柱阵列最小结构周期单元2-1沿水平轴向X的周期PX 介质柱阵列最小结构周期单元2-1沿水平轴向Y的周期PY 介质柱阵列最小结构周期单元第一介质柱2-1-1 中心与介质柱阵列最小结构周期单元第二介质柱2-1-2 中心距离D 介质柱阵列最小结构周期单元第一介质柱2-1-1 介质柱阵列最小结构周期单元第一介质柱2-1-1长度a1 介质柱阵列最小结构周期单元第一介质柱2-1-1宽度b1 介质柱阵列最小结构周期单元第一介质柱2-1-1长度a1与介质柱阵列最小结构周期单元第一介质柱2-1-1高度h所在平面与水平轴向X间夹角θ1 介质柱阵列最小结构周期单元第二介质柱2-1-2 介质柱阵列最小结构周期单元第二介质柱2-1-2长度a2 介质柱阵列最小结构周期单元第二介质柱2-1-2宽度b2 介质柱阵列最小结构周期单元第二介质柱2-1-2长度 a2与介质柱阵列最小结构周期单元第一介质柱2-1-2高度h所在平面与水平轴向X间夹角θ2
五、具体实施方式
实施例1
1、材料、设备与软件来源
高阻硅片：市售品，折射率3.45，直径12英寸，厚度2000μm，无掺杂，电阻率10000Ω·cm；
铬金属：纯度99.99％，沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学物理科学与工程系提供；
光刻胶：型号ECL3027，沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学物理科学与工程系提供；
铬刻蚀剂：沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学物理科学与工程系提供；
刻蚀气体：SF6，纯度99.999％，沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学物理科学与工程系提供；
钝化气体：C4F8，纯度99.999％，沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学物理科学与工程系提供；
食人鱼溶液：H2SO4:H2O2＝3:1，其中：H2SO4纯度95％，H2O2纯度30％；沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学物理科学与工程系提供；
高精度激光打印机：型号Heidelberg DWL2000Mask Writer，沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学物理科学与工程系提供；
光刻机：型号LIT-022Contact Aligner，沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学物理科学与工程系提供；
离子束刻蚀机：型号Plasmalab System 100，沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学物理科学与工程系提供；
金属真空溅射机：型号SC-450，沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学物理科学与工程系提供；
L-edit软件：市售品，版本L-Edit Win32 15.00；
CST Microwave Studio软件：市售品，版本CST STUDIO SUITE 2014。
2、本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片
如图1与图2所示，本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片，由纯硅介质基底1与介质柱阵列2构成，在直径12英寸、厚度2000μm高阻硅片上按照超材料结构布图设计、采用光刻技术一次成型制作的介质柱阵列2位于长方体基底1正上方，介质柱阵列2高度h为500μm，基底1长度为215mm、宽度为215mm、基底1高度H为上述高阻硅片采用光刻技术一次成型制作介质柱阵列2后的剩余厚度，沿水平轴向X与垂直轴向Y双方向，介质柱阵列2由介质柱阵列最小结构周期单元2-1周期性排布构成，介质柱阵列最小结构周期单元2-1包括介质柱阵列最小结构周期单元第一介质柱2-1-1与介质柱阵列最小结构周期单元第二介质柱2-1-2，介质柱阵列最小结构周期单元2-1沿水平轴向X的周期PX为200μm、沿垂直轴向Y的周期PY为400μm，介质柱阵列最小结构周期单元第一介质柱2-1-1长度a1为118.0μm、介质柱阵列最小结构周期单元第一介质柱2-1-1宽度b1为69.0μm、介质柱阵列最小结构周期单元第一介质柱2-1-1长度a1与介质柱阵列最小结构周期单元第一介质柱2-1-1高度h所在平面与水平轴向X间夹角θ1为60°，介质柱阵列最小结构周期单元第二介质柱2-1-2长度a2为92.0μm、介质柱阵列最小结构周期单元第二介质柱2-1-2宽度b2为69.0μm、介质柱阵列最小结构周期单元第二介质柱2-1-2长度a2与介质柱阵列最小结构周期单元第二介质柱2-1-2高度h所在平面与水平轴向X间夹角θ2为30°，介质柱阵列最小结构周期单元第一介质柱2-1-1中心与介质柱阵列最小结构周期单元第二介质柱2-1-2中心距离D同PX相等。
3、本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片制作方法
本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片制作方法依次包括如下步骤：
(1)、通过L-edit软件绘制所设计超材料结构对应的掩膜版文件，并使用高精度激光打印机打印直径5英寸的铬制掩膜版；
(2)、利用金属真空溅射机在高阻硅片上蒸镀100nm厚的铬金属，并在上述蒸镀后的铬金属表面旋涂4μm厚的光刻胶；
(3)、利用步骤(1)制作的铬制掩膜版和光刻机对光刻胶层进行光刻，将超材料结构转印到光刻胶层(部分铬金属层裸露出来)，再利用铬刻蚀剂进行湿刻，将超材料结构进一步转印到铬金属层(部分高阻硅片裸露出来)；
(4)、通过离子束刻蚀机对裸露的高阻硅片部分进行深度反应离子刻蚀，直到刻蚀深度达到500μm，其过程中交替使用刻蚀气体SF6和钝化气体C4F8；
(5)、刻蚀结束后，利用铬刻蚀剂除去材料表面的铬金属层，再用食人鱼溶液对整个材料进行清洗。
4、本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片特性
(1)、实验方法
本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片采用CST MicrowaveStudio软件进行仿真计算，得到本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片在不同线偏振入射条件下透射太赫兹波的椭偏度-频谱曲线和工作频率处透射太赫兹波偏振电场轨迹。
(2)、实验结果
①、实施例1中本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片椭偏度-频谱曲线实验数据
实施例1中本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片椭偏度-频谱曲线实验数据见表1
表1实施例1中本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片椭偏度-频谱曲线实验数据
②、实施例1中本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片工作频率处透射太赫兹波偏振电场轨迹
由图4可见，在0.79THz工作频率处，X线偏振入射时，出射太赫兹波的偏振电场轨迹非常接近沿Y方向的线偏振态；而Y线偏振入射时，出射太赫兹波的偏振电场轨迹非常接近圆偏振态。
实验结果说明：在0.79THz工作频率处，对于不同的太赫兹线偏振入射，本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片同时实现了1/4和1/2波片功能，即同时实现线偏振态转换至圆偏振态以及线偏振态旋转90°两种功能。
5、本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片应用
本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片可作为单一器件直接使用调控太赫兹电磁波的偏振态，也可集成到光学系统中作为配件使用。
实施例2
1、材料、设备与软件来源
高阻硅片：市售品，折射率3.45，直径4英寸，厚度1000μm，无掺杂，电阻率10000Ω·cm；
铬金属：同实施例1；
光刻胶：同实施例1；
铬刻蚀剂：同实施例1；
刻蚀气体：同实施例1；
钝化气体：同实施例1；
食人鱼溶液：同实施例1；
高精度的激光打印机：同实施例1；
光刻机：同实施例1；
离子束刻蚀机：同实施例1；
金属真空溅射机：同实施例1；
L-edit软件：同实施例1；
CST Microwave Studio软件：同实施例1。
2、本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片
如图1与图2所示，本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片，由纯硅介质基底1与介质柱阵列2构成，在直径4英寸、厚度1000μm高阻硅片上按照超材料结构布图设计、采用光刻技术一次成型制作的介质柱阵列2位于长方体基底1正上方，介质柱阵列2高度h为200μm，基底1长度为60mm、宽度为60mm、基底1高度H为上述高阻硅片采用光刻技术一次成型制作介质柱阵列2后的剩余厚度，沿水平轴向X与垂直轴向Y双方向，介质柱阵列2由介质柱阵列最小结构周期单元2-1周期性排布构成，介质柱阵列最小结构周期单元2-1包括介质柱阵列最小结构周期单元第一介质柱2-1-1与介质柱阵列最小结构周期单元第二介质柱2-1-2，介质柱阵列最小结构周期单元2-1沿水平轴向X的周期PX为150μm、沿垂直轴向Y的周期PY为300μm，介质柱阵列最小结构周期单元第一介质柱2-1-1长度a1为81.0μm、介质柱阵列最小结构周期单元第一介质柱2-1-1宽度b1为53.0μm、介质柱阵列最小结构周期单元第一介质柱2-1-1长度a1与介质柱阵列最小结构周期单元第一介质柱2-1-1高度h所在平面与水平轴向X间夹角θ1为60°，介质柱阵列最小结构周期单元第二介质柱2-1-2长度a2为69.0μm、介质柱阵列最小结构周期单元第二介质柱2-1-2宽度b2为48.0μm、介质柱阵列最小结构周期单元第二介质柱2-1-2长度a2与介质柱阵列最小结构周期单元第二介质柱2-1-2高度h所在平面与水平轴向X间夹角θ2为30°，介质柱阵列最小结构周期单元第一介质柱2-1-1中心与介质柱阵列最小结构周期单元第二介质柱2-1-2中心距离D同PX相等。
3、本发明基于亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片制作方法本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片制作方法依次包括如下步骤：
(1)、同实施例1；
(2)、同实施例1；
(3)、同实施例1；
(4)、通过离子束刻蚀机对裸露的高阻硅片部分进行深度反应离子刻蚀，直到刻蚀深度达到200μm，其过程中交替使用刻蚀气体SF6和钝化气体C4F8；
(5)、同实施例1。
4、本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片特性
(1)、实验方法
同实施例1。
(2)、实验结果
①、实施例2中本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片椭偏度-频谱曲线实验数据
实施例2中本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片椭偏度-频谱曲线实验数据见表2
表2实施例2中本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片椭偏度-频谱曲线实验数据
②、实施例2中本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片工作频率处透射太赫兹波偏振电场轨迹
由图6可见，在1THz工作频率处，Y线偏振入射时，出射太赫兹波的偏振电场轨迹非常接近沿X方向的线偏振态；而X线偏振入射时，出射太赫兹波的偏振电场轨迹非常接近圆偏振态。
实验结果说明：在1THz工作频率处，对于不同的太赫兹线偏振入射，本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片同时实现了1/4和1/2波片功能，即同时实现线偏振态转换至圆偏振态以及线偏振态旋转90°两种功能。
5、本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片应用
同实施例1。
实施例3
1、材料、设备与软件来源
高阻硅片：市售品，折射率3.45，直径2英寸，厚度500μm，无掺杂，电阻率10000Ω·cm；
铬金属：同实施例1；
光刻胶：同实施例1；
铬刻蚀剂：同实施例1；
刻蚀气体：同实施例1；
钝化气体：同实施例1；
食人鱼溶液：同实施例1；
高精度的激光打印机：同实施例1；
光刻机：同实施例1；
离子束刻蚀机：同实施例1；
金属真空溅射机：同实施例1；
L-edit软件：同实施例1；
CST Microwave Studio软件：同实施例1。
2、本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片
如图1与图2所示，本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片，由纯硅介质基底1与介质柱阵列2构成，在直径2英寸、厚度500μm高阻硅片上按照超材料结构布图设计、采用光刻技术一次成型制作的介质柱阵列2位于长方体基底1正上方，介质柱阵列2高度h为40μm，基底1长度为30mm、宽度为30mm、基底1高度H为上述高阻硅片采用光刻技术一次成型制作介质柱阵列2后的剩余厚度，沿水平轴向X与垂直轴向Y双方向，介质柱阵列2由介质柱阵列最小结构周期单元2-1周期性排布构成，介质柱阵列最小结构周期单元2-1包括介质柱阵列最小结构周期单元第一介质柱2-1-1与介质柱阵列最小结构周期单元第二介质柱2-1-2，介质柱阵列最小结构周期单元2-1沿水平轴向X的周期PX为30μm、沿垂直轴向Y的周期PY为60μm，介质柱阵列最小结构周期单元第一介质柱2-1-1长度a1为16.2μm、介质柱阵列最小结构周期单元第一介质柱2-1-1宽度b1为10.6μm、介质柱阵列最小结构周期单元第一介质柱2-1-1长度a1与介质柱阵列最小结构周期单元第一介质柱2-1-1高度h所在平面与水平轴向X间夹角θ1为30°，介质柱阵列最小结构周期单元第二介质柱2-1-2长度a2为13.8μm、介质柱阵列最小结构周期单元第二介质柱2-1-2宽度b2为9.6μm、介质柱阵列最小结构周期单元第二介质柱2-1-2长度a2与介质柱阵列最小结构周期单元第二介质柱2-1-2高度h所在平面与水平轴向X间夹角θ2为60°，介质柱阵列最小结构周期单元第一介质柱2-1-1中心与介质柱阵列最小结构周期单元第二介质柱2-1-2中心距离D同PX相等。
3、本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片制作方法
本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片制作方法依次包括如下步骤：
(1)、同实施例1；
(2)、同实施例1；
(3)、同实施例1；
(4)、通过离子束刻蚀机对裸露的高阻硅片部分进行深度反应离子刻蚀，直到刻蚀深度达到40μm，其过程中交替使用刻蚀气体SF6和钝化气体C4F8；
(5)、同实施例1。
4、本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片特性
(1)、实验方法
同实施例1。
(2)、实验结果
①、实施例3中本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片椭偏度-频谱曲线实验数据
实施例3中本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片椭偏度-频谱曲线实验数据见表3
表3实施例3中本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片椭偏度-频谱曲线实验数据
②、实施例3中本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片工作频率处透射太赫兹波偏振电场的轨迹
由图8可见，在5.06THz工作频率处，X线偏振入射时，出射太赫兹波的偏振电场轨迹非常接近沿Y方向的线偏振态；而Y线偏振入射时，出射太赫兹波的偏振电场轨迹非常接近圆偏振态。
实验结果说明：在5.06THz工作频率处，对于不同的太赫兹线偏振入射，本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片同时实现了1/4和1/2波片功能，即同时实现线偏振态转换至圆偏振态以及线偏振态旋转90°两种功能。
5、本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片应用
同实施例1。
实施例4
1、材料、设备与软件来源
高阻硅片：市售品，折射率3.45，直径1英寸，厚度100μm，无掺杂，电阻率10000Ω·cm；
铬金属：同实施例1；
光刻胶：同实施例1；
铬刻蚀剂：同实施例1；
刻蚀气体：同实施例1；
钝化气体：同实施例1；
食人鱼溶液：同实施例1；
高精度的激光打印机：同实施例1；
光刻机：同实施例1；
离子束刻蚀机：同实施例1；
金属真空溅射机：同实施例1
L-edit软件：同实施例1；
CST Microwave Studio软件：同实施例1。
2、本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片
如图1与图2所示，本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片，由纯硅介质基底1与介质柱阵列2构成，在直径1英寸、厚度100μm高阻硅片上按照超材料结构布图设计、采用光刻技术一次成型制作的介质柱阵列2位于长方体基底1正上方，介质柱阵列2高度h为20μm，基底1长度为1mm、宽度为1mm、基底1高度H为上述高阻硅片采用光刻技术一次成型制作介质柱阵列2后的剩余厚度，沿水平轴向X与垂直轴向Y双方向，介质柱阵列2由介质柱阵列最小结构周期单元2-1周期性排布构成，介质柱阵列最小结构周期单元2-1包括介质柱阵列最小结构周期单元第一介质柱2-1-1与介质柱阵列最小结构周期单元第二介质柱2-1-2，介质柱阵列最小结构周期单元2-1沿水平轴向X的周期PX为15μm、沿垂直轴向Y的周期PY为30μm，介质柱阵列最小结构周期单元第一介质柱2-1-1长度a1为8.1μm、介质柱阵列最小结构周期单元第一介质柱2-1-1宽度b1为5.3μm、介质柱阵列最小结构周期单元第一介质柱2-1-1长度a1与介质柱阵列最小结构周期单元第一介质柱2-1-1高度h所在平面与水平轴向X间夹角θ1为60°，介质柱阵列最小结构周期单元第二介质柱2-1-2长度a2为6.9μm、介质柱阵列最小结构周期单元第二介质柱2-1-2宽度b2为4.8μm、介质柱阵列最小结构周期单元第二介质柱2-1-2长度a2与介质柱阵列最小结构周期单元第二介质柱2-1-2高度h所在平面与水平轴向X间夹角θ2为30°，介质柱阵列最小结构周期单元第一介质柱2-1-1中心与介质柱阵列最小结构周期单元第二介质柱2-1-2中心距离D同PX相等。
3、本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片制作方法
本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片制作方法依次包括如下步骤：
(1)、同实施例1；
(2)、同实施例1；
(3)、同实施例1；
(4)、通过离子束刻蚀机对裸露的高阻硅片部分进行深度反应离子刻蚀，直到刻蚀深度达到20μm，其过程中交替使用刻蚀气体SF6和钝化气体C4F8；
(5)、同实施例1。
4、本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片特性
(1)、实验方法
同实施例1。
(2)、实验结果
①、实施例4中本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片椭偏度-频谱曲线实验数据
实施例4中本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片椭偏度-频谱曲线实验数据见表4
表4实施例4中本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片椭偏度-频谱曲线实验数据
②、实施例4中本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片工作频率处透射太赫兹波偏振电场的轨迹
由图10可见，在9.96THz工作频率处，Y线偏振入射时，出射太赫兹波的偏振电场轨迹非常接近沿X方向的线偏振态；而X线偏振入射时，出射太赫兹波的偏振电场轨迹非常接近圆偏振态。
实验结果说明：在9.96THz工作频率处，对于不同的太赫兹线偏振入射，本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片同时实现了1/4和1/2波片功能，即同时实现线偏振态转换至圆偏振态以及线偏振态旋转90°两种功能。
5、本发明基于亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片应用
同实施例1。
实施例说明，本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片制作材料选用在太赫兹波段具有较高透射率和较低吸收损耗的高阻硅片，能够提升器件整体效率；本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片介质柱阵列2沿水平轴向X与垂直轴向Y双方向分别采用介质柱阵列最小结构周期单元2-1沿水平轴向X的周期PX与介质柱阵列最小结构周期单元2-1沿垂直轴向Y的周期PY周期性结构设计，且介质柱阵列最小结构周期单元2-1仅包含介质柱阵列最小结构周期单元第一介质柱2-1-1与介质柱阵列最小结构周期单元第二介质柱2-1-2两个介质柱，通过调整PX、PY以及上述两个介质柱的长度a1与a2、宽度b1与b2、高度h以及上述两个介质柱长度a1、a2分别与其高度h所在平面与水平轴向X间夹角θ1、θ2以及上述两个介质柱间的距离D(与PX相等)在0.1～10THz频率范围内各单一工作频率下均可同时实现1/4和1/2波片功能，满足各种器件的不同需求；本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片介质柱阵列最小结构周期单元2-1所包含的介质柱阵列最小结构周期单元第一介质柱2-1-1与介质柱阵列最小结构周期单元第二介质柱2-1-2长、宽尺寸均小于工作波长，能够避免在调制太赫兹波过程中产生高阶模式；本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片在直径1～12英寸、厚度100～2000μm高阻硅片上按照超材料结构布图设计、采用光刻技术一次成型制作后介质柱阵列2位于长方体基底1正上方，便于产品加工制作；因而，本发明亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片具有设计合理、结构简单、在0.1～10THz频率范围内各单一工作频率下均可同时实现1/4和1/2波片功能、便于应用的特点。

Claims (1)

1.一种亚波长介质柱阵列结构的超材料双功能太赫兹波片，其特征是，由纯硅介质基底(1)与介质柱阵列(2)构成，在直径1～12英寸、厚度100～2000μm高阻硅片上按照超材料结构布图设计、采用光刻技术一次成型制作的介质柱阵列(2)位于长方体基底(1)正上方，介质柱阵列(2)高度h为20～500μm，基底(1)长度为1～215mm、宽度为1～215mm、高度H为上述高阻硅片采用光刻技术一次成型制作介质柱阵列(2)后的剩余厚度，沿水平轴向X与垂直轴向Y双方向，介质柱阵列(2)由介质柱阵列最小结构周期单元(2-1)周期性排布构成，介质柱阵列最小结构周期单元(2-1)包括介质柱阵列最小结构周期单元第一介质柱(2-1-1)与介质柱阵列最小结构周期单元第二介质柱(2-1-2)，介质柱阵列最小结构周期单元(2-1)沿水平轴向X的周期PX为15～200μm、沿垂直轴向Y的周期PY为30～400μm，介质柱阵列最小结构周期单元第一介质柱(2-1-1)长度a1为8.1～118.0μm、介质柱阵列最小结构周期单元第一介质柱(2-1-1)宽度b1为5.3～69.0μm、介质柱阵列最小结构周期单元第一介质柱(2-1-1)长度a1与介质柱阵列最小结构周期单元第一介质柱(2-1-1)高度h所在平面与水平轴向X间夹角θ1为10～80°，介质柱阵列最小结构周期单元第二介质柱(2-1-2)长度a2为6.9～92.0μm、介质柱阵列最小结构周期单元第二介质柱(2-1-2)宽度b2为4.8～69.0μm、介质柱阵列最小结构周期单元第二介质柱(2-1-2)长度a2与介质柱阵列最小结构周期单元第二介质柱(2-1-2)高度h所在平面与水平轴向X间夹角θ2为10～80°，介质柱阵列最小结构周期单元第一介质柱(2-1-1)中心与介质柱阵列最小结构周期单元第二介质柱(2-1-2)中心距离D同PX相等。
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