CN112350071A - 一种反射式太赫兹偏振转换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反射式太赫兹偏振转换器，当相变介质层处于绝缘态时，该相变介质层对太赫兹波相当于透明状态。此时太赫兹波可以穿过相变介质层，则顶层金属薄膜与底层金属薄膜之间可以形成一长度较长的谐振腔，进而实现太赫兹波偏振的改变。而当相变介质层处于金属态时，该相变介质层对太赫兹波相当于一层金属薄膜，此时太赫兹波不会穿过相变介质层，则顶层金属薄膜与相变介质层之间可以形成一长度较短的谐振腔，从而在改变相变介质层状态时可以引起反射的太赫兹波相位和强度发生变化，从而实现对反射式太赫兹偏振转换器自身功能的调谐。

Description

一种反射式太赫兹偏振转换器

技术领域

本发明涉及微波器件技术领域，特别是涉及一种反射式太赫兹偏振转换器。

背景技术

太赫兹偏振调控器件在太赫兹应用中具有很广阔的前景。太赫兹生物成像、太赫兹通信系统以及太赫兹光学系统都需要偏振器件对太赫兹偏振进行有效调控。

在现阶段，传统的太赫兹偏振调控器件主要基于太赫兹双折射晶体和全内反射效应所制备而成的太赫兹偏振调控器件。但是基于上述原理所制成的太赫兹偏振调控器件通常尺寸大、可选择的材料少、性能单一、工作带宽小和损耗大。

基于超材料的太赫兹偏振调控成为近些年研究的热点。超材料可以在微小尺度对太赫兹的强度和相位进行调制，进而实现偏振调控。目前基于金属材料体系的超材料的可以实现太赫兹的偏振调控，但是器件的工作效率不高，带宽有限，实现的偏振调控功能较为单一。所以如何提供一种可调谐的反射式太赫兹偏振转换器是本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种反射式太赫兹偏振转换器，可以实现对自身功能的调谐。

为解决上述技术问题，本发明提供一种反射式太赫兹偏振转换器，包括：

底层金属薄膜；

位于所述底层金属薄膜一侧表面的第一介质层；

位于所述第一介质层背向所述底层金属薄膜一侧表面的相变介质层；所述相变介质层可在金属态与绝缘态之间相互转换；

位于所述相变介质层背向所述底层金属薄膜一侧表面的阵列单元；所述阵列单元呈条状，均匀分布于所述相变介质层表面；所述阵列单元的轴线相互平行；

所述阵列单元包括位于所述相变介质层背向所述底层金属薄膜一侧表面的第二介质层，以及位于所述第二介质层背向所述底层金属薄膜一侧表面的顶层金属薄膜。

可选的，所述相变介质层为二氧化钒层。

可选的，所述二氧化钒层厚度的取值范围为：150nm至1μm，包括端点值。

可选的，所述顶层金属薄膜的材质为以下任意一项：

Au、Ag、Cu、Pt、Al、Cr；

所述底层金属薄膜的材质为以下任意一项：

Au、Ag、Cu、Pt、Al、Cr。

可选的，所述顶层金属薄膜厚度的取值范围为100nm至200nm，包括端点值；

所述底层金属薄膜的厚度不小于100nm。

可选的，所述第一介质层的材质为以下任意一项：

聚亚酰胺、聚二甲基硅氧烷、石英玻璃、硼硅酸玻璃、高阻硅、高阻砷化镓、二氧化钛；

所述第二介质层的材质为以下任意一项：

聚亚酰胺、聚二甲基硅氧烷、石英玻璃、硼硅酸玻璃、高阻硅、高阻砷化镓、二氧化钛。

可选的，所述第一介质层厚度的取值范围为：9μm至132μm，包括端点值；

所述第二介质层厚度的取值范围为：15μm至210μm，包括端点值。

可选的，所述阵列单元长度的取值范围为：60μm至780μm，包括端点值；

所述阵列单元宽度的取值范围为：3μm至120μm，包括端点值。

可选的，所述阵列单元的轴线与所述反射式太赫兹偏振转换器侧边的夹角为45度。

可选的，当所述相变介质层呈金属态时，所述反射式太赫兹偏振转换器呈四分之一波片；当所述相变介质层呈绝缘态时，所述反射式太赫兹偏振转换器呈半波片。

本发明所提供的一种反射式太赫兹偏振转换器，包括底层金属薄膜；位于底层金属薄膜一侧表面的第一介质层；位于第一介质层背向底层金属薄膜一侧表面的相变介质层；相变介质层可在金属态与绝缘态之间相互转换；位于相变介质层背向底层金属薄膜一侧表面的阵列单元；阵列单元呈条状，均匀分布于相变介质层表面；阵列单元的轴线相互平行；阵列单元包括位于相变介质层背向底层金属薄膜一侧表面的第二介质层，以及位于第二介质层背向底层金属薄膜一侧表面的顶层金属薄膜。

当相变介质层处于绝缘态时，该相变介质层对太赫兹波相当于透明状态。此时太赫兹波可以穿过相变介质层，则顶层金属薄膜与底层金属薄膜之间可以形成一长度较长的谐振腔，进而实现太赫兹波偏振的改变。而当相变介质层处于金属态时，该相变介质层对太赫兹波相当于一层金属薄膜，此时太赫兹波不会穿过相变介质层，则顶层金属薄膜与相变介质层之间可以形成一长度较短的谐振腔，从而在改变相变介质层状态时可以引起反射的太赫兹波相位和强度发生变化，从而实现对反射式太赫兹偏振转换器自身功能的调谐。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的一种反射式太赫兹偏振转换器的结构示意图；

图2为本发明实施例所提供的一种反射式太赫兹偏振转换器中阵列单元的结构示意图；

图3为本发明实施例所提供的一种反射式太赫兹偏振转换器的太赫兹半波片反射图；

图4为本发明实施例所提供的一种反射式太赫兹偏振转换器的太赫兹四分之一波片反射图。

图中：1.底层金属薄膜、2.第一介质层、3.相变介质层、4.阵列单元、5.第二介质层、6.顶层金属薄膜。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种反射式太赫兹偏振转换器。在现有技术中，传统的太赫兹偏振调控器件主要基于太赫兹双折射晶体和全内反射效应所制备而成的太赫兹偏振调控器件。但是基于上述原理所制成的太赫兹偏振调控器件通常尺寸大、可选择的材料少、性能单一、工作带宽小和损耗大。

而本发明所提供的一种反射式太赫兹偏振转换器，包括底层金属薄膜；位于底层金属薄膜一侧表面的第一介质层；位于第一介质层背向底层金属薄膜一侧表面的相变介质层；相变介质层可在金属态与绝缘态之间相互转换；位于相变介质层背向底层金属薄膜一侧表面的阵列单元；阵列单元呈条状，均匀分布于相变介质层表面；阵列单元的轴线相互平行；阵列单元包括位于相变介质层背向底层金属薄膜一侧表面的第二介质层，以及位于第二介质层背向底层金属薄膜一侧表面的顶层金属薄膜。

当相变介质层处于绝缘态时，该相变介质层对太赫兹波相当于透明状态。此时太赫兹波可以穿过相变介质层，则顶层金属薄膜与底层金属薄膜之间可以形成一长度较长的谐振腔，进而实现太赫兹波偏振的改变。而当相变介质层处于金属态时，该相变介质层对太赫兹波相当于一层金属薄膜，此时太赫兹波不会穿过相变介质层，则顶层金属薄膜与相变介质层之间可以形成一长度较短的谐振腔，从而在改变相变介质层状态时可以引起反射的太赫兹波相位和强度发生变化，从而实现对反射式太赫兹偏振转换器自身功能的调谐。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，图1为本发明实施例所提供的一种反射式太赫兹偏振转换器的结构示意图。

参见图1，在本发明实施例中，反射式太赫兹偏振转换器包括底层金属薄膜1；位于所述底层金属薄膜1一侧表面的第一介质层2；位于所述第一介质层2背向所述底层金属薄膜1一侧表面的相变介质层3；所述相变介质层3可在金属态与绝缘态之间相互转换；位于所述相变介质层3背向所述底层金属薄膜1一侧表面的阵列单元4；所述阵列单元4呈条状，均匀分布于所述相变介质层3表面；所述阵列单元4的轴线相互平行；所述阵列单元4包括位于所述相变介质层3背向所述底层金属薄膜1一侧表面的第二介质层5，以及位于所述第二介质层5背向所述底层金属薄膜1一侧表面的顶层金属薄膜6。

在本发明实施例中，具有相对设置的两层金属薄膜，其一为底层金属薄膜1，其二为顶层金属薄膜6。而在底层金属薄膜1与顶层金属薄膜6之间，设置有相变介质层3，该相变介质层3可在金属态与绝缘态之间相互转换，以实现反射式太赫兹偏振转换器自身功能可调谐的目的。而在相变介质层3与顶层金属薄膜6之间，以及相变介质层3与底层金属薄膜1之间均设置有介质层，以便形成对应长度的谐振腔。

具体的，上述底层金属薄膜1位于反射式太赫兹偏振转换器的最下层，该底层金属薄膜1通常为一整层薄膜结构，该底层金属薄膜1在本发明实施例中可以为以下任意一项：Au、Ag、Cu、Pt、Al、Cr。同时，该底层金属薄膜1的厚度通常需要不小于100nm，以提供一定的支撑性能。当然，有关底层金属薄膜1的具体材质以及具体厚度在本发明实施例中不做具体限定，视具体情况而定。

上述第一介质层2位于底层金属薄膜1一侧表面，该第一介质层2通常需要整层覆盖底层金属薄膜1。需要说明的是，该第一介质层2的材质需要保证对太赫兹波处于透明状态，以防止第一介质层2对太赫兹波的干扰。具体的，在本发明实施例中所述第一介质层2的材质可以为以下任意一项：聚亚酰胺、聚二甲基硅氧烷、石英玻璃、硼硅酸玻璃、高阻硅、高阻砷化镓、二氧化钛。当然，有关第一介质层2的具体材质在本发明实施例中不做具体限定，视具体情况而定。

上述相变介质层3位于第一介质层2背向底层金属薄膜1一侧表面，该相变介质层3通常需要整层覆盖第一介质层2。在本发明实施例中该相变介质层3需要可在金属态与绝缘态之间相互转换，以实现反射式太赫兹偏振转换器功能的可调谐。具体的，在本发明实施例中该相变介质层3具体可以为二氧化钒层，即相变介质层3的材质可以为二氧化钒。二氧化钒是一种具有相变性质的金属氧化物，其相变温度为68℃，而二氧化钒具体可以在金属态与绝缘态之间相互转换，从而实现本发明实施例中相变介质层3所需要起到的作用。当然，在本发明实施例中也可以选用其他具有上述功能的材质作为相变介质层3，在本发明实施例中不做具体限定。通常情况下，当相变介质层3为二氧化钒层时，上述二氧化钒层厚度的取值范围通常为：150nm至1μm，包括端点值。

上述阵列单元4位于相变介质层3背向底层金属薄膜1一侧表面，通常情况下会在相变介质层3背向底层金属薄膜1一侧表面设置多个阵列单元4，所述阵列单元4呈条状，均匀分布于相变介质层3表面；所述阵列单元4的轴线相互平行。该阵列单元4包括位于相变介质层3背向底层金属薄膜1一侧表面的第二介质层5，以及位于第二介质层5背向底层金属薄膜1一侧表面的顶层金属薄膜6。即上述第二介质层5具体会以阵列的排布方式设置在相变介质层3表面，任一第二介质层5呈条状，且其轴线相互平行。而上述顶层金属薄膜6同样会以阵列的排布方式，设置在对应的第二介质层5表面，任一顶层金属薄膜6呈条状，且其轴线相互平行。而对应的第二介质层5与顶层金属薄膜6会构成具有一定厚度的阵列单元4，设置在相变介质层3背向底层金属薄膜1一侧表面。在本发明实施例中将顶层金属薄膜6与第二介质层5制备成条状结构的整列单元，相比于一整层顶层金属薄膜6与第二介质层5，条状结构对反射式太赫兹偏振转换器的带宽和转化效率都有提升作用。

具体的，在本发明实施例中，所述第二介质层5的材质可以为以下任意一项：聚亚酰胺、聚二甲基硅氧烷、石英玻璃、硼硅酸玻璃、高阻硅、高阻砷化镓、二氧化钛。当然，有关第二介质层5的具体材质在本发明实施例中不做具体限定，视具体情况而定。上述顶层金属薄膜6的材质可以为以下任意一项：Au、Ag、Cu、Pt、Al、Cr；该顶层金属薄膜6厚度的取值范围通常为100nm至200nm，包括端点值。当然，有关顶层金属薄膜6的具体材质以及厚度在本发明实施例中不做具体限定，视具体情况而定。

通常情况下，在本发明实施例中，当所述相变介质层3呈金属态时，所述反射式太赫兹偏振转换器呈四分之一波片；当所述相变介质层3呈绝缘态时，所述反射式太赫兹偏振转换器呈半波片。

具体的，在本发明实施例中通过调节第一介质层2、相变介质层3、以及第二介质层5的厚度，可以调节当相变介质层3处于绝缘态时，反射式太赫兹偏振转换器内谐振腔的长度，可以使得此时外界的太赫兹波与该谐振腔相互作用时出现偏振交叉转化，此时反射式太赫兹偏振转换器可以作为半波片使用；而通过调节第一介质层2的厚度，可以调节当相变介质层3处于金属态时，反射式太赫兹偏振转换器内谐振腔的长度，，可以使得此时外界的太赫兹波与该谐振腔相互作用时出现圆偏振现象，此时反射式太赫兹偏振转换器可以作为四分之一波片使用。而通过使相变介质层3发生相变，可以使得反射式太赫兹偏振转换器在半波片与四分之一波片之间转换，实现自身功能的调谐。而在本发明实施例中，具体可以通过加热改变温度、加电极和光泵浦等方式促使相变介质层3发生相变，有关相变介质层3发生相变的具体条件可以根据实际情况自行设定，在此不做具体限定。

本发明实施例所提供的一种反射式太赫兹偏振转换器，包括底层金属薄膜1；位于底层金属薄膜1一侧表面的第一介质层2；位于第一介质层2背向底层金属薄膜1一侧表面的相变介质层3；相变介质层3可在金属态与绝缘态之间相互转换；位于相变介质层3背向底层金属薄膜1一侧表面的阵列单元4；阵列单元4呈条状，均匀分布于相变介质层3表面；阵列单元4的轴线相互平行；阵列单元4包括位于相变介质层3背向底层金属薄膜1一侧表面的第二介质层5，以及位于第二介质层5背向底层金属薄膜1一侧表面的顶层金属薄膜6。

当相变介质层3处于绝缘态时，该相变介质层3对太赫兹波相当于透明状态。此时太赫兹波可以穿过相变介质层3，则顶层金属薄膜6与底层金属薄膜1之间可以形成一长度较长的谐振腔，进而实现太赫兹波偏振的改变。而当相变介质层3处于金属态时，该相变介质层3对太赫兹波相当于一层金属薄膜，此时太赫兹波不会穿过相变介质层3，则顶层金属薄膜6与相变介质层3之间可以形成一长度较短的谐振腔，从而在改变相变介质层3状态时可以引起反射的太赫兹波相位和强度发生变化，从而实现对反射式太赫兹偏振转换器自身功能的调谐。

有关本发明所提供的一种反射式太赫兹偏振转换器的具体结构将在下述发明实施例中做详细介绍。

请参考图2，图3以及图4，图2为本发明实施例所提供的一种反射式太赫兹偏振转换器中阵列单元4的结构示意图；图3为本发明实施例所提供的一种反射式太赫兹偏振转换器的太赫兹半波片反射图；图4为本发明实施例所提供的一种反射式太赫兹偏振转换器的太赫兹四分之一波片反射图。

区别于上述发明实施例，本发明实施例是在上述发明实施例的基础上，进一步的对反射式太赫兹偏振转换器的结构，尤其是反射式太赫兹偏振转换器中阵列单元4的尺寸进行具体限定。其余内容已在上述发明实施例中进行了详细介绍，在此不再进行赘述。

参见图2，在本发明实施例中，所述阵列单元4的轴线与所述反射式太赫兹偏振转换器侧边的夹角为45度。此时，会使得垂直入射反射式太赫兹偏振转换器的太赫兹波偏振方向与阵列单元4轴线呈45度夹角，以便于反射式太赫兹偏振转换器的使用。

在本发明实施例中，假设阵列单元4的长度为l，宽度为w，一阵列单元4所属区域的边长为a，则该阵列单元4所属区域的尺寸为a×a，该阵列单元4所属区域的边长a的取值范围通常在60μm至600μm之间，包括端点值。此时，上述阵列单元4的长度l的取值通常为1a至1.3a，包括端点值，即上述阵列单元4的长度l的取值范围通常为60μm至780μm，包括端点值；上述阵列单元4的宽度w的取值通常为0.05a至0.2a，包括端点值，即上述阵列单元4的宽度w的取值范围通常为3μm至120μm，包括端点值。

具体的，上述第一介质层2的厚度的取值通常为0.15a至0.22a，包括端点值，即上述第一介质层2的厚度的取值范围通常为：9μm至132μm，包括端点值；上述第二介质层5的厚度的取值通常为0.25a至0.35a，包括端点值，即上述第二介质层5的厚度的取值范围通常为：15μm至210μm，包括端点值。

在本发明实施例中，反射式太赫兹偏振转换器的结构可以具体为：

阵列单元4的长度为145μm，宽度为15μm，阵列单元4排列周期，即相邻阵列单元4中心之间间距为120μm；

顶层金属薄膜6材质为Au，厚度为200nm；

第二介质层5材质为聚亚酰胺，其厚度为36μm；

相变介质层3材质为二氧化钒，其厚度200nm；

第一介质层2材质为二氧化硅，其厚度22μm；

底层金属薄膜1材质为Au，其厚度200纳米。

在本发明实施例中，参见图3，当相变介质层3处于绝缘态时，反射式太赫兹偏振转换器为半波片，此时反射式太赫兹偏振转换器的太赫兹半波片反射图如图3所示，其中半波片带宽为0.82THz、插入损耗为0.55dB、偏振转化率大于>95％。

在本发明实施例中，参见图4，当相变介质层3处于金属态时，反射式太赫兹偏振转换器为四分之一波片，此时反射式太赫兹偏振转换器的太赫兹四分之一波片反射图如图4所示，其四分之一波片带宽为1THz、插入损耗为0.22dB、椭圆极化率大于99％。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种反射式太赫兹偏振转换器进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种反射式太赫兹偏振转换器，其特征在于，包括：

底层金属薄膜；

位于所述底层金属薄膜一侧表面的第一介质层；

位于所述第一介质层背向所述底层金属薄膜一侧表面的相变介质层；所述相变介质层可在金属态与绝缘态之间相互转换；

位于所述相变介质层背向所述底层金属薄膜一侧表面的阵列单元；所述阵列单元呈条状，均匀分布于所述相变介质层表面；所述阵列单元的轴线相互平行；

所述阵列单元包括位于所述相变介质层背向所述底层金属薄膜一侧表面的第二介质层，以及位于所述第二介质层背向所述底层金属薄膜一侧表面的顶层金属薄膜。

2.根据权利要求1所述的反射式太赫兹偏振转换器，其特征在于，所述相变介质层为二氧化钒层。

3.根据权利要求2所述的反射式太赫兹偏振转换器，其特征在于，所述二氧化钒层厚度的取值范围为：150nm至1μm，包括端点值。

4.根据权利要求2所述的反射式太赫兹偏振转换器，其特征在于，所述顶层金属薄膜的材质为以下任意一项：

Au、Ag、Cu、Pt、Al、Cr；

所述底层金属薄膜的材质为以下任意一项：

Au、Ag、Cu、Pt、Al、Cr。

5.根据权利要求4所述的反射式太赫兹偏振转换器，其特征在于，所述顶层金属薄膜厚度的取值范围为100nm至200nm，包括端点值；

所述底层金属薄膜的厚度不小于100nm。

6.根据权利要求2所述的反射式太赫兹偏振转换器，其特征在于，所述第一介质层的材质为以下任意一项：

聚亚酰胺、聚二甲基硅氧烷、石英玻璃、硼硅酸玻璃、高阻硅、高阻砷化镓、二氧化钛；

所述第二介质层的材质为以下任意一项：

聚亚酰胺、聚二甲基硅氧烷、石英玻璃、硼硅酸玻璃、高阻硅、高阻砷化镓、二氧化钛。

7.根据权利要求6所述的反射式太赫兹偏振转换器，其特征在于，所述第一介质层厚度的取值范围为：9μm至132μm，包括端点值；

所述第二介质层厚度的取值范围为：15μm至210μm，包括端点值。

8.根据权利要求1所述的反射式太赫兹偏振转换器，其特征在于，所述阵列单元长度的取值范围为：60μm至780μm，包括端点值；

所述阵列单元宽度的取值范围为：3μm至120μm，包括端点值。

9.根据权利要求1所述的反射式太赫兹偏振转换器，其特征在于，所述阵列单元的轴线与所述反射式太赫兹偏振转换器侧边的夹角为45度。

10.根据权利要求1至9任一项权利要求所述的反射式太赫兹偏振转换器，其特征在于，当所述相变介质层呈金属态时，所述反射式太赫兹偏振转换器呈四分之一波片；当所述相变介质层呈绝缘态时，所述反射式太赫兹偏振转换器呈半波片。

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