CN112864632A - 一种非对称的多功能超材料极化转换器 - Google Patents

一种非对称的多功能超材料极化转换器 Download PDF

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Abstract

本发明属于超材料极化转换器领域，具体涉及一种非对称的多功能超材料极化转换器，包括从上到下依次设置的第一超表面结构层、第一介质层、第二超表面结构层、第二介质层和底层光敏硅板，所述第一超表面结构层由多个类六边形谐振器周期排列而成，所述类六边形谐振器中嵌有光敏硅块、二氧化矾块、对角二氧化矾条；第二超表面结构层由多个类六边形开口谐振器周期排列而成。本发明可以将正向和反向入射的电磁波转化为不同的极化模式，实现非对称的多功能极化转换。

Description

一种非对称的多功能超材料极化转换器
技术领域
本发明属于超材料极化转换器领域，具体涉及一种非对称的多功能超材料极化转换器。
背景技术
幅度、频率、相位和极化是表征电磁波的四个重要特性，其中极化特性是电场在垂直于电磁波传播方向平面上的振动方向。有效地控制电磁波的极化方向对于电磁波的利用至关重要的。
超材料是一种可以根据实际需要来人工合成的复合材料，自从1968年科学家Veselago在理论上提出电场、磁场和波矢量服从左手关系的超材料之后，超材料得到了广泛地研究。通过巧妙地设计超材料结构参数来操控其介电常数和磁导率，因此能够广泛地应用在完美吸收器、传感器和极化转换器等领域。
2013年Chen等人设计了工作在太赫兹频段的超材料极化转换器，通过短金属线-介质-反射板的结构实现了反射式极化转换功能，同时通过金属栅-金属线-金属栅的结构实现了透射式极化转换功能。然而这样的超材料极化转换器在制作完成后仅能工作在单一的功能，因此近年来研究人员提出了许多具有多种功能的超材料极化转换器，并且能够通过二极管或者光敏开关材料对其功能进行调控。然而目前现有的多功能超材料极化转换器仅能工作在反射式或者透射式中的一种工作模式。本发明设计的一种非对称的多功能超材料极化转换器，通过采用双超表面谐振结构层的设计，并在超材料结构单元中嵌入光敏硅和二氧化钒材料，在不同的激励条件下，该超材料极化转换器能够工作在反射式或者透射式工作模式，并且当工作在透射模式时，正向入射和反向入射表现出完全不同的极化转换性能。由于本发明具有多种功能，并且能够灵活调控，使其具有广泛地应用前景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：如何采用一种超材料结构实现反射式和非对称透射式的极化转换效果。
为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种非对称的多功能超材料极化转换器，包括从上到下依次设置的第一超表面结构层、第一介质层、第二超表面结构层、第二介质层和底层光敏硅板，所述第一超表面结构层由多个类六边形谐振器周期排列而成，所述类六边形谐振器中嵌有光敏硅块、二氧化矾块、对角二氧化矾条；第二超表面结构层由多个类六边形开口谐振器周期排列而成。
进一步，所述类六边形谐振器由一个六边形金属谐振器和一条连接在六边形金属谐振器两个对角处的对角二氧化矾条组成。
进一步，所述光敏硅块设置在类六边形谐振器中的一条不与对角二氧化矾条接触边的中间位置处；所述类六边形谐振器中嵌有两块二氧化矾块，分别设置在类六边形谐振器中的两条与对角二氧化矾条相连边的四分之一位置处，所述二氧化矾块关于类六边形谐振器中心呈中心对称分布。
进一步，所述类六边形开口谐振器由六边形二氧化矾谐振器和一条连接在六边形二氧化矾谐振器两条对边处的对边二氧化矾条组成；所述类六边形开口谐振器中对边二氧化矾条的分布方向与类六边形谐振器中对角二氧化矾条的分布方向呈十字交叉分布；所述类六边形开口谐振器中的开口设置在类六边形二氧化矾谐振器的一个角处，该角为类六边形二氧化矾谐振器中不与对边二氧化钒条相连的两条边的交角处。
进一步，所述六边形二氧化矾谐振器的大小尺寸与类六边形谐振器中的六边形金属谐振器相同；所述类六边形开口谐振器中的开口宽度与类六边形开口谐振器的线宽相同。
工作时，当电磁波正向入射时，将该超材料极化转换器置于室温和泵浦光照激励条件下，实现反射式宽带共面极化到交叉极化电磁波的转换效果；而将该超材料极化转换器置于80℃和无泵浦光照激励条件下，实现透射式线极化到圆极化转换效果；当电磁波反向入射时，在80℃和无泵浦光照激励条件下，实现透射式宽带共面极化到交叉极化电磁波的转换效果。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
本发明仅采用一种超材料结构，在不同的激励条件下，可以实现反射式和非对称透射式的极化转换效果，使其具有多种不同的工作模式，并且可以灵活切换。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种非对称的多功能超材料极化转换器的阵列结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种非对称的多功能超材料极化转换器的单元结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种非对称的多功能超材料极化转换器的第一超表面结构层的正视图；
图4为本发明实施例提供的一种非对称的多功能超材料极化转换器的第二超表面结构层的正视图；
图5为本发明实施例提供的一种非对称的多功能超材料极化转换器的单元结构侧视图；
图6为本发明实施例提供的一种非对称的多功能超材料极化转换器对正向入射和反向入射电磁波的反射系数和透射系数曲线图；
图7为本发明实施例提供的一种非对称的多功能超材料极化转换器对正向入射和反向入射电磁波的极化转换率和轴比曲线图。
图中，1-第一超表面结构层，2-第一介质层，3-第二超表面结构层，4-第二介质层，5-底部光敏硅板，6-类六边形谐振器，7-光敏硅块，8-二氧化钒块，9-对角二氧化矾条，10-类六边形开口谐振器，11-对边二氧化矾条。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及结果效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1至图4所示，本发明一种非对称的多功能超材料极化转换器，包括从上到下依次设置的第一超表面结构层1、第一介质层2、第二超表面结构层3、第二介质层4和底层光敏硅板5，所述第一超表面结构层1由多个类六边形谐振器6周期排列而成，所述类六边形谐振器6中嵌有光敏硅块7、二氧化矾块8、对角二氧化矾条9；第二超表面结构层3由多个类六边形开口谐振器10周期排列而成。
所述类六边形谐振器6由一个六边形金属谐振器和一条连接在六边形金属谐振器两个对角处的对角二氧化矾条9组成。所述光敏硅块7设置在类六边形谐振器6中的一条不与对角二氧化矾条9接触边的中间位置处；所述类六边形谐振器6中嵌有两块二氧化矾块8，分别设置在类六边形谐振器6中的两条与对角二氧化矾条9相连边的四分之一位置处，所述二氧化矾块8关于类六边形谐振器6中心呈中心对称分布。所述类六边形开口谐振器10由六边形二氧化矾谐振器和一条连接在六边形二氧化矾谐振器两条对边处的对边二氧化矾条11组成；所述类六边形开口谐振器10中对边二氧化矾条11的分布方向与类六边形谐振器6中对角二氧化矾条9的分布方向呈十字交叉分布；所述类六边形开口谐振器9中的开口设置在类六边形二氧化矾谐振器9的一个角处，该角为类六边形二氧化矾谐振器9中不与对边二氧化钒条11相连的两条边的交角处。所述六边形二氧化矾谐振器的大小尺寸与类六边形谐振器6中的六边形金属谐振器相同；所述类六边形开口谐振器9中的开口宽度与类六边形开口谐振器9的线宽相同。
图2为本发明非对称的多功能超材料极化转换器的单元结构示意图，其中单元边长60μm；类六边形谐振器6材料为铜电导率为5.8×107S/m，厚度为0.02μm；光敏硅板5和光敏硅块7厚度为0.02μm，在没有没有泵浦光照时电导率为σSi＝1S/m，表现为绝缘态，而当泵浦光照强度达到最强294μJ/cm2时，光敏硅的电导率为σSi＝1×105S/m，表现为金属态；二氧化钒块8和对角二氧化钒条9、类六边形开口谐振器10和对边二氧化钒条11的材料为二氧化钒，厚度为0.02μm，其电导率由温度的变化来调控，在室温条件下，二氧化钒处于绝缘状态，电导率小于200S/m,而在高温80℃时，二氧化钒处于金属态，电导率大于105S/m。第一介质层2和第二介质层4材料均为聚酰亚胺，厚度分别为7.4μm和8.4μm，介电常数为3.5，损耗正切角为0.0027。类六边形谐振器6、类六边形开口谐振器9的线宽为5.2μm。
将该实施例中的结构单元通过商业电磁仿真软件CST进行建模和仿真计算。在X和Y轴方向分别设置为unit cell边界条件，在Z轴方向设置为add space边界条件，极化方向沿着Y轴的电磁波将沿着Z轴方向入射到材料表面，对于反射式和透射式工作模式的极化转换率(PCR)可以分别由下式定义：
PCRr＝|rxy|2/(|rxy|2+|ryy|2) (1)
PCRt＝|txy|2/(|txy|2+|tyy|2) (2)
其中rxy和ryy分别为交叉极化和共面极化反射系数，txy和tyy分别为交叉极化和共面极化透射系数；而透射式工作模式下的轴比可以由下式计算：
Figure BDA0002879982350000061
其中Δφxy＝φyy-φxy为共面极化透射系数和交叉透射系数的相位差。
当电磁波正向入射时，将该超材料极化转换器置于室温和泵浦光照激励条件下，能够实现反射式宽带共面极化到交叉极化电磁波的转换效果，如图6中(a)和图7中(a)所示，在1.40THz～2.44THz频率范围反射波的极化转换率大于90％；而将该超材料极化转换器置于80℃和无泵浦光照激励条件下，实现透射式线极化到圆极化转换效果，如图6中(b)所示，在1.21和1.40THz频率位置处正向入射的共面极化电磁波以透射的形式分别被转换为左旋圆极化和右旋圆极化电磁波，在这两个频率位置处的轴比接近于0dB；如图7中(b)所示，当电磁波反向入射时，在80℃和无泵浦光照激励条件下，实现透射式宽带共面极化到交叉极化电磁波的转换效果，如图6中(c)和图7中(c)所示，在2.18THz～2.58THz频率范围的共面极化电磁波将被以透射形式转换为交叉极化电磁波，其极化转换率均大于90％.因此，本发明仅采用一种超材料结构，在不同的激励条件下，可以实现反射式和非对称透射式的极化转换效果，使其具有多种不同的工作模式，并且可以灵活切换。

Claims (5)

1.一种非对称的多功能超材料极化转换器，其特征在于，包括从上到下依次设置的第一超表面结构层(1)、第一介质层(2)、第二超表面结构层(3)、第二介质层(4)和底层光敏硅板(5)，所述第一超表面结构层(1)由多个类六边形谐振器(6)周期排列而成，所述类六边形谐振器(6)中嵌有光敏硅块(7)、二氧化矾块(8)、对角二氧化矾条(9)；第二超表面结构层(3)由多个类六边形开口谐振器(10)周期排列而成。
2.根据权利要求1所述的一种非对称的多功能超材料极化转换器，其特征在于，所述类六边形谐振器(6)由一个六边形金属谐振器和一条连接在六边形金属谐振器两个对角处的对角二氧化矾条(9)组成。
3.根据权利要求2所述的一种非对称的多功能超材料极化转换器，其特征在于，所述光敏硅块(7)设置在类六边形谐振器(6)中的一条不与对角二氧化矾条(9)接触边的中间位置处；所述类六边形谐振器(6)中嵌有两块二氧化矾块(9)，分别设置在类六边形谐振器(6)中的两条与对角二氧化矾条(9)相连边的四分之一位置处，所述二氧化矾块(8)关于类六边形谐振器(6)中心呈中心对称分布。
4.根据权利要求2所述的一种非对称的多功能超材料极化转换器，其特征在于，所述类六边形开口谐振器(10)由六边形二氧化矾谐振器和一条连接在六边形二氧化矾谐振器两条对边处的对边二氧化矾条(11)组成；所述类六边形开口谐振器(10)中对边二氧化矾条(11)的分布方向与类六边形谐振器(6)中对角二氧化矾条(9)的分布方向呈十字交叉分布；所述类六边形开口谐振器(10)中的开口设置在类六边形二氧化矾谐振器(10)的一个角处，该角为类六边形二氧化矾谐振器(10)中不与对边二氧化钒条(11)相连的两条边的交角处。
5.根据权利要求4所述的一种非对称的多功能超材料极化转换器，其特征在于，所述六边形二氧化矾谐振器的大小尺寸与类六边形谐振器(6)中的六边形金属谐振器相同；所述类六边形开口谐振器(10)中的开口宽度与类六边形开口谐振器(10)的线宽相同。
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