CN112305659B - 基于单层各向异性超材料的宽频带四分之一波片 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种基于单层各向异性超材料的宽频带四分之一波片，涉及一种对太赫兹波的传输控制器件，其是由介质层和人工电磁材料结构层构成，所述的人工电磁材料结构层光刻蚀于介质层上表面，由周期性排列的连续台阶型曲折线结构层基本单元构成。本发明提出的基于单层各向异性超材料的宽频带四分之一波片，可以在更宽的频带内实现线偏振光到圆偏振光的偏振转换功能,对太赫兹波段的宽频带偏振转换器件和紧凑型纳米光子器件的发展具有重要的意义。

Description

基于单层各向异性超材料的宽频带四分之一波片

技术领域：

本发明涉及的是一种对太赫兹波的传输控制器件，尤其是控制电磁波线偏振态和圆偏振态的传输，通过线栅结构的精巧组合设计实现宽频带线偏振光到圆偏振光的转换，可类比于四分之一波片。

背景技术：

太赫兹（THz）波通常是指频率在0.1-10 THz范围内的电磁波，其波段位于毫米波和红外波之间，在电磁波谱中占据着重要位置。太赫兹波具有许多优越的特性，在物理和生命科学等基础学科以及安全探测、医学成像和通信技术等应用学科方向都具有重要的研究价值和应用前景。

超材料（Metamaterial）是一种具有天然材料所不具备的超常物理特性的人工复合媒质和复合材料，其电磁特性主要取决于基本单元的几何结构，基本单元的尺寸远小于入射电磁波的波长。Metamaterial能够对太赫兹波的振幅、相位、偏振态和传播方向实现有效的控制，尤其是偏振态间的转换研究吸引了越来越多的关注。圆偏振光广泛应用于许多技术和光学器件中，并且在生物分子的探测和分析过程中扮演着非常重要的角色，因此，发展高质量的四分之一波片（能够实现线偏振光到圆偏振光转换）是非常重要的。

目前，反射型和透射型的太赫兹四分之一波片被广泛研究，在太赫兹纳米光子学的发展中，透射型波片器件是必不可少的。线栅型谐振器一直作为超材料偏振转换器件设计中的首选结构，因为这种结构能够反射平行于线栅的偏振光，而能够透射垂直于线栅的偏振光。多层线栅结构被广泛研究来实现宽频带或可开关的超材料四分之一波片。相比于多层超材料结构设计，单层四分之一波片的研究一直是集成和小型化光学系统发展中的核心内容。基于巴比涅结构的非对称十字形、平面开口环结构、3D开口环结构和全介质各向异性硅块的单层四分之一波片结构有很多报道。除此之外，利用电压、温度和机械调制的可调谐四分之一波片也被广泛研究。然而许多单层的太赫兹四分之一波片往往遭受着窄带宽的严重限制。针对于拓展波片带宽的关键问题，本专利利用线栅结构的精巧设计组合将提出一种基于单层“台阶型”超材料的宽频带四分之一波片，该四分之一波片能够实现宽频带的线偏振光到圆偏振光的转换效应。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于单层“台阶型”超材料的宽频带四分之一波片。将平行于x轴和垂直于x轴方向的线栅结构创新性地融入到单层超材料的设计中，导致相互垂直的偏振态在宽频带范围内具有相似的幅度特性和接近于90°的相位差，实现线偏振光到圆偏振光的转换效应，有效地控制了太赫兹波的传输。

本发明的基于单层各向异性超材料的宽频带四分之一波片，是由介质层和人工电磁材料结构层构成，所述的人工电磁材料结构层光刻蚀于介质层上表面，人工电磁材料结构层是由周期性排列的连续台阶型曲折线结构层基本单元构成。

作为本发明的进一步改进，所述的介质层1的材质为聚酰亚胺或二氧化硅，介质层的厚度为t、其厚度为微米量级。

作为本发明的进一步改进，所述的结构层基本单元的材质为铜、金或铝，结构层基本单元的厚度为t _m 、其厚度为纳米量级。

作为本发明的进一步改进，所述的结构层基本单元由等线宽的单L型结构、台阶型三L型结构、台阶型双L型结构和线栅结构由右向左一次排列而成，单L型结构与三L型结构之间的距离、三L型结构与双L型结构之间的距离、以及双L型结构与线栅结构之间的距离均为w，所述的w= 10 μm。

作为本发明的进一步改进，所述的结构层基本单元长为12w、宽为6w。

作为本发明的进一步改进，所述的单L型结构为L型、其长边为4w、短边为2w、宽为w。

作为本发明的进一步改进，所述的台阶型双L型结构是由双L型结构基本单元Ⅰ和双L型结构基本单元Ⅱ首尾相接而成，所述的双L型结构基本单元Ⅰ的长边为5w、短边为3w、宽为w，双L型结构基本单元Ⅱ的长边为5w、短边为2w、宽为w。

作为本发明的进一步改进，所述的台阶型三L型结构是由两个三L型结构基本单元Ⅰ和三L型结构基本单元Ⅱ依次首尾相接而成，所述的三L型结构基本单元Ⅰ的长边为5w、短边为2w、宽为w，三L型结构基本单元Ⅱ的长边为2w、短边为2w、宽为w。

作为本发明的进一步改进，所述的线栅结构为长方形、其长度为3w、宽度为w。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、更宽的工作频谱范围：基于单层“台阶型”超材料的宽频带四分之一波片，可在更宽的频谱范围内有效工作；

2、良好的偏振转换效应：广泛应用于太赫兹线-圆偏振转换器件；

3、更低的制造成本：该器件体积小，结构简单，易于制备。

附图说明：

图1是周期性太赫兹四分之一波片结构示意图；

图2是太赫兹四分之一波片基本结构单元的正面示意图；

图3是太赫兹四分之一波片工作原理图；

图4是太赫兹四分之一波片的仿真结果。

图中：介质层1、人工电磁材料结构层2、单L型结构3、双L型结构4、三L型结构5、线栅结构6，三L型结构基本单元Ⅱ7，双L型结构基本单元Ⅰ8、双L型结构基本单元Ⅱ9、三L型结构基本单元Ⅰ10。

具体实施方式：

实施例1

基于单层各向异性超材料的宽频带四分之一波片，是由介质层1和人工电磁材料结构层2构成，所述的人工电磁材料结构层2光刻蚀于介质层1上表面（如图1），人工电磁材料结构层2是由周期性排列的连续台阶型曲折线结构层基本单元构成。

所述的介质层1的材质为聚酰亚胺，介质层1的厚度为t= 27 μm、其厚度为微米量级。所述的结构层基本单元的材质为铜，结构层基本单元的厚度为t _m = 200 nm、其厚度为纳米量级。

如图2所示，所述的结构层基本单元由等线宽的单L型结构3、台阶型三L型结构5、台阶型双L型结构4和线栅结构6由右向左一次排列而成，单L型结构3与三L型结构5之间的距离、三L型结构5与双L型结构4之间的距离、以及双L型结构4与线栅结构6之间的距离均为w，所述的w= 10 μm。

所述的结构层基本单元长为12w、宽为6w；所述的单L型结构3为L型、其长边为4w、短边为2w、宽为w；所述的双L型结构4是由双L型结构基本单元Ⅰ8和双L型结构基本单元Ⅱ9首尾相接而成，所述的双L型结构基本单元Ⅰ8的长边为5w、短边为3w、宽为w，双L型结构基本单元Ⅱ9的长边为5w、短边为2w、宽为w；所述的三L型结构5是由两个三L型结构基本单元Ⅰ10和三L型结构基本单元Ⅱ7依次首尾相接而成，所述的三L型结构基本单元Ⅰ10的长边为5w、短边为2w、宽为w，三L型结构基本单元Ⅱ7的长边为2w、短边为2w、宽为w；所述的线栅结构6为长方形、其长度为3w、宽度为w。

实施例2

实施例2与实施例1的区别仅在于，所述的介质层1的材质为二氧化硅，所述的结构层基本单元的材质金。

实施例3

实施例3与实施例1的区别仅在于，所述的介质层1的材质为聚酰亚胺，所述的结构层基本单元的材质为铝。

上述实施例工作在太赫兹波波段，下面再结合图3进一步说明实施方案，首先为太赫兹宽频带四分之一波片设置一个xyz坐标轴作为工作平台，z轴垂直于四分之一波片的表面。如图3所示，x方向偏振的线偏振光L沿-z方向垂直入射到上述四分之一波片器件表面后，圆偏振输出光为C，说明此超材料器件针对x方向偏振的线偏振光能够实现圆偏振转换特性，可类比于四分之一波片的功能。太赫兹宽频带四分之一波片的能量透过率用

表示，下标i、j分别代表透射光和入射光的偏振态，（注：

表示沿-z传输的情况下，输入的x偏振光转化为y偏振输出光的系数）。相位差∆φ = φ _yx - φ _xx 为输出的y偏振光与x偏振光之间的相位差。太赫兹宽频带四分之一波片沿-z方向传输的交叉偏振能量输出和相位差曲线如图 4（a）和4（b）所示。

太赫兹输出的偏振信息可以通过斯托克斯参量来描述：

其中S ₀代表透射光波的总光强，S ₁ 代表输出的x偏振光和y偏振光间的强度差，S ₂对应于输出的+45°或-45°的偏振分量占优势，S ₃对应于输出的左旋圆偏振光或右旋偏振光占优势。太赫兹宽频带四分之一波片性能的优劣可以通过椭圆率χ和输出的圆偏振光的总光强S ₀来衡量，χ定义为

χ = S ₃/S ₀

当χ = -1 时代表输出的透射光为右旋圆偏振光，而χ = 1时代表输出的透射光为左旋圆偏振光。从图 4（a）和4（b）可以看出，在1.56 THz 和 2.34 THz之间，t _yx 和t _xx 间的幅度非常相近且它们之间的相位差在90°左右，利用椭圆率χ和圆偏振光总光强S ₀的计算公式，此频率段区间椭圆率χ大于0.99且总光强S ₀的平均值可以达到30%，如图4（c）所示，此频率段区间椭圆率χ大于0.99且总光强S ₀的平均值可以达到30%，对于单层超材料而言，S ₀的极限值为50%。

因此，我们可以认为所述的太赫兹四分之一波片能够实现宽频带的x方向的线偏振光到左旋圆偏振光的转换，且宽频带的带宽可以达到0.78 THz。

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，应被理解为发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。凡是根据上述描述做出各种可能的等同替换或改变，均被认为属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.基于单层各向异性超材料的宽频带四分之一波片，是由介质层1和人工电磁材料结构层2构成，其特征在于所述的人工电磁材料结构层2光刻蚀于介质层1上表面，人工电磁材料结构层2是由周期性排列的连续台阶型曲折线结构层基本单元构成；

所述的结构层基本单元由等线宽的单L型结构3、台阶型三L型结构5、台阶型双L型结构4和线栅结构6由右向左一次排列而成，单L型结构3与三L型结构5之间的距离、三L型结构5与双L型结构4之间的距离、以及双L型结构4与线栅结构6之间的距离均为w，所述的w= 10 μm。

2.根据权利要求1所述的基于单层各向异性超材料的宽频带四分之一波片，其特征在于所述的介质层1的材质为聚酰亚胺或二氧化硅，介质层1的厚度为t、其厚度为微米量级。

3.根据权利要求1所述的基于单层各向异性超材料的宽频带四分之一波片，其特征在于所述的结构层基本单元的材质为铜、金或铝，结构层基本单元的厚度为t _m 、其厚度为纳米量级。

4.根据权利要求1所述的基于单层各向异性超材料的宽频带四分之一波片，其特征在于所述的结构层基本单元长为12w、宽为6w。

5.根据权利要求1或4所述的基于单层各向异性超材料的宽频带四分之一波片，其特征在于所述的单L型结构3为L型、其长边为4w、短边为2w、宽为w。

6.根据权利要求1或4所述的基于单层各向异性超材料的宽频带四分之一波片，其特征在于所述的台阶型双L型结构4是由双L型结构基本单元Ⅰ8和双L型结构基本单元Ⅱ9首尾相接而成，所述的双L型结构基本单元Ⅰ8的长边为5w、短边为3w、宽为w，双L型结构基本单元Ⅱ9的长边为5w、短边为2w、宽为w。

7.根据权利要求1或4所述的基于单层各向异性超材料的宽频带四分之一波片，其特征在于所述的台阶型三L型结构5是由两个三L型结构基本单元Ⅰ10和三L型结构基本单元Ⅱ7依次首尾相接而成，所述的三L型结构基本单元Ⅰ10的长边为5w、短边为2w、宽为w，三L型结构基本单元Ⅱ7的长边为2w、短边为2w、宽为w。

8.根据权利要求1或4所述的基于单层各向异性超材料的宽频带四分之一波片，其特征在于所述的线栅结构6为长方形、其长度为3w、宽度为w。

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