CN112882259A - 一种基于二氧化钒可调控的反射型太赫兹偏振转换器 - Google Patents

一种基于二氧化钒可调控的反射型太赫兹偏振转换器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于二氧化钒可调控的反射型太赫兹偏振转换器，基于二氧化钒从绝缘态到金属态的相变过程，实现高效、可调谐反射型偏振转换器，所述偏振转换器对太赫兹波具有主动调控功能，偏振转换器的单元结构由三层结构组成：底层为铝金属反射层；中间层为聚酰亚胺介质层；顶层为铝金属和相变材料二氧化钒组成的双斜对称矩形谐振环；在x和y方向进行周期性排布形成超表面微结构。本发明在高效偏振转换效率下对反射振幅具有主动调控功能，该偏振转换器对自身结构缺陷和外部环境等微扰情况具有很强的鲁棒性，同时，还克服了传统结构器件中被动调控的不足，在不同温度下可实现对振幅的调控。

Description

一种基于二氧化钒可调控的反射型太赫兹偏振转换器
技术领域
本发明涉及太赫兹波段超表面功能器件领域，尤其涉及一种基于二氧化钒可调控的反射型太赫兹偏振转换器。
背景技术
太赫兹(Terahertz，简称THz)波位于电子学和光子学的过渡区域，在电磁波谱中位于微波与红外之间(0.1～10THz)。独特的频谱位置使得THz波具有微波穿透能力和光学成像功能，同时还表现出许多微波和红外波段不具有的电磁特性，如宽带性、相干性、瞬态性以及较低的光子能量。
偏振是电磁波的本质属性之一，电磁波可以通过偏振加载更为丰富的信息，并且随着 5G和6G通讯技术的发展，对电磁波携带信息的能力要求愈来愈高，因此偏振转换器件具有非常广阔的应用前景。传统的偏振转换器大多数利用材料本身在传播方向上弱偏振响应的累积来制备，包括：晶体中的各向异性效应、布鲁斯特角效应和磁光介质法拉第效应等，然而这些器件的巨大厚度严重阻碍了光学系统的小型化和集成化发展，并且复杂的外围设备更加限制了其在现代光学系统中的应用。
Papakostas等人于2003年利用二维手性超材料操控光波的偏振态，衍射光束的偏振立体角旋转超过30°[1]。随后，S.L.Prosvirnin等人于2005年基于洛伦兹互易定理分析了二维手性超材料的透射特性[2]。研究结果表明，二维手性超材料结构单元的本征手性和微结构晶格排布所导致的结构手性均可引起电磁波的偏振调制。2006年，A.V.Rogacheva 等人利用双层旋转的金属花朵型图案构建三维手征超材料[3]，金属结构的层间电磁耦合导致强烈的偏振旋转效应，实验表明其设计的超材料在微波频段的旋光能力比石英晶体在光波段的旋光能力高出5个数量级。随后V.A.Fedotov等人利用鱼鳞状二维手性超表面实现了圆偏振转换的二向色性现象[4]。紧接着，微波[5,6]、THz[7]、红外[8]波段的超材料如雨后春笋般涌现出来，实现了超薄圆偏振器件、线偏振旋转器件等器件和材料，并且在可见光和近红外波段获得了高达2500°/mm的线偏振旋光度。科研工作者利用多层金属平面微结构制备超表面，并实现了圆偏振片、线偏振旋转器件等多种超表面器件。2014年Cong等人提出了一种高效、宽带、可调谐的柔性四分之一波片[9]，在太赫兹波波段具有很好的π/2 的相位延迟以及高透射率，并显示出线偏到圆偏的完美转换。
近年来，基于二维超材料/超表面实现了大量满足实际应用需求的偏振转换功能器件，但随着技术的进步，被动式超表面已经不能满足当前的应用要求，偏振转换器件也逐步向多功能可调谐的主动式方向发展，将可调谐以及多样化的功能集成到单个超表面已成为一个新兴的研究领域。2017年，Ding等人提出了极化不敏感且可切换的THz超表面[10]，在二氧化钒从绝缘体到金属的过渡中，该超表面实现了从宽带吸收器件切换到宽带半波片的功能转换，使之更具有灵活性和可操纵性，该可切换超表面有望在THz频率下实现与其他可调谐功能器件联合使用的高级研究和智能应用。
参考文献
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发明内容
本发明提供了一种基于二氧化钒可调控的反射型太赫兹偏振转换器，本发明在高效偏振转换效率下对反射振幅具有主动调控功能，同时，还克服了传统结构器件中被动调控的不足，在不同温度下可实现对振幅的调控，详见下文描述：
一种基于二氧化钒可调控的反射型太赫兹偏振转换器，基于二氧化钒从绝缘态到金属态的相变过程，实现高效、可调谐反射型偏振转换器，所述偏振转换器对太赫兹波具有主动调控功能，偏振转换器的单元结构由三层结构组成：
底层为铝金属反射层；中间层为聚酰亚胺介质层；顶层为铝金属和相变材料二氧化钒组成的双斜对称矩形谐振环；
在x和y方向进行周期性排布形成超表面微结构。
其中，所述偏振转换效率为：
Figure RE-GDA0003015552560000031
其中，反射信号为|Rxx|和|Ryx|，PCRxy表示x偏振入射时转换为y偏振的偏振转换效率，偏振转换效率为97％以上。
进一步地，所述超表面微结构的电磁响应特性是由三维电磁仿真软件仿真。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、本发明能够在较高的偏振转换效率下(97％以上)实现对反射振幅的主动调控，从而让该偏振转换器件具有可操作性和灵活性，更加贴合实际应用；
2、由于该偏振转换器中加入了二氧化钒相变材料，从而使得该材料在不同温度下能够具有不同的电磁响应，使得主动控制变得非常简单方便，更加易于操作；
3、这种反射式超表面在太赫兹偏振器件中具有很强的应用前景，在太赫兹全息成像、通讯方面具有重要应用潜力，同时也丰富了太赫兹功能器件；
4、该超表面器件可以实现对太赫兹波偏振态的主动调控功能，使之应用更加具有灵活性和广泛性，并有望应用到太赫兹传感、成像、通讯等技术领域中。
附图说明
图1为一种基于二氧化钒可调控的反射型太赫兹偏振转换器的单元结构示意图；
材料：Al-铝金属，VO2-二氧化钒，Polyimide-聚酰亚胺。
图2为本发明的周期结构示意图；
图3为本发明的单元结构参数图；
其中，(a)前视图；(b)左视图；(c)透视图。
参数：a＝30μm，b＝10μm，w＝8μm，t1＝200nm，t2＝30μm。
图4为在x偏振光入射且选取二氧化钒电导率为10S/m、1000S/m 200000S/m时的太赫兹波的反射谱关系图；
图5为在二氧化钒电导率为10S/m、1000S/m、200000S/m时的偏振转换效率(PCR)谱图。
其中，偏振转换效率计算公式为：
Figure RE-GDA0003015552560000041
PCRxy表示x偏振入射时转换为y偏振的偏振转换效率。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
综合以上背景技术，本发明实施例基于二氧化钒从绝缘态到金属态的相变过程，实现高效、可调谐反射型偏振转换器，来满足当前太赫兹波段的实际应用需求。
本发明实施例针对传统超表面被动调控的不足，通过将具有多层单元结构进行周期排列，提供了一种基于二氧化钒可调控的反射型太赫兹偏振转换器。该反射型偏振转换器在 1.5THz的宽带范围内具有高效的偏振转换效率(97％以上)；其次，该器件对太赫兹波具有主动调控功能，从而使该结构在不同温度下实现不同的电磁响应，克服了传统超表面器件的局限性，这是本发明实施例的两个关键点。
本发明实施例中的偏振转换器的单元结构由三层结构组成：底层为铝金属反射层；中间层为聚酰亚胺介质层；顶层为铝金属和相变材料二氧化钒组成的双斜对称矩形谐振环。在x和y方向进行周期性排布形成超表面结构。
本发明实施例中使用的超表面微结构的电磁响应特性是由三维电磁仿真软件(CST Microwave Studio)仿真，并筛选了不同电导率下的超表面的反射谱情况。
本发明实施例使用线偏振光从该偏振转换器顶层正入射，x和y方向均采用周期性边界条件，z方向采用open边界条件，同时在该偏振转换器顶层上方约大于2个波长的范围放置探针测量反射谱，该距离很好地模拟了真实情况下的远场探测。
实施例1
为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案：
1、基于二氧化钒的主动调控的反射型太赫兹偏振转换器的单元结构尺寸为100μm× 100μm，是由铝金属反射层、聚酰亚胺介质层，铝和二氧化钒组成的斜对称矩形谐振环组成，x和y方向均采用周期性结构排布，具体单元结构周期可根据实际情况确定。
其中，铝金属层的厚度t1＝200nm，聚酰亚胺介质层的厚度t2＝30μm，斜对称矩形谐振环具体参数见图2。
2、利用斜对称金属谐振环来设计该结构，在低电导率(10S/m)和高电导率(200000S/m)时，分别在谐振环中激发环形电流谐振，形成电偶极子模式，从而高效地激发正交偏振出射，因此利用斜对称金属谐振环来设计结构。从仿真结果可以证明结构在宽带范围内具有高效的偏振转换率，并且接近100％。同时当二氧化钒在不同电导率下时，透射谱的振幅发生变化，实现了对振幅的主动调控，但偏振转换效率仍然接近100％，几乎没有变化。因此，该结构在宽带内显示了高效的偏振转换效率特性以及主动调控特性。
3、本发明实施例是以x偏振光作为光源(等效于y偏振光入射，为避免赘述统一采用 x偏振光入射)，从该偏振转换器件的顶层正入射，x和y方向均采用周期性边界条件，z方向采用open边界条件，在光源同侧距该偏振转换器顶层大于两个波长的范围探测线偏振光(x偏振光和y偏振光)振幅信号，其中探测的反射振幅信号为|Rxx|(x偏振光入射，探测到的x偏振光振幅信号)和|Ryx|(x偏振光入射，探测到的y偏振光振幅信号)，通过设置二氧化钒的不同电导率(仿真中通过设置电导率来模拟实际情况中二氧化钒对温度的响应，也就是不同的电导率对应不同的温度)实现对偏振转换器振幅的调控，其中要强调的是二氧化钒在CST Microwave Studio软件仿真中通过设置不同的电导率来模拟真实情况下的不同温度，电导率10～200000S/m对应实际环境温度23℃～87℃。
4、从反射信号|Rxx|和|Ryx|可以计算得出x偏振入射转换为y偏振的偏转转换效率(PCRxy)。计算公式为：
Figure RE-GDA0003015552560000051
5、所设计的结构可以利用现有的微纳加工工艺进行加工制作。
实施例2
下面结合具体的数值对实施例1中的方案进行进一步的介绍，详见下文描述：
一种基于二氧化钒可调控的反射型太赫兹偏振转换器由三层结构组成，包括：厚度t1＝ 200nm的铝金属反射层、厚度t2＝30μm的聚酰亚胺介质层，铝和二氧化钒组成的斜对称矩形谐振环。矩形谐振环厚度为t1＝200nm。(参见图3(b)所示)，单元结构的周期P＝100μm。
参见图2，本发明实施例中具有斜对称矩形谐振环，该矩形环由两个斜对称的U型环铝金属和相变材料二氧化钒线栅组成。厚度均为t1＝200nm。其中铝金属环的结构参数为长a＝30μm，宽b＝10μm线性U向内延伸w＝8μm形成U型环；二氧化钒线栅为长a＝ 30μm，宽w＝8μm的矩形。两种材料结构共同形成矩形谐振环。
使用电磁仿真软件CST Microwave Studio设置x偏振光正入射到该偏振转换器的顶层一侧，x和y方向均采用周期性边界条件，z方向采用open边界条件，同时在该偏振转换器顶层上方约大于2个波长的范围放置探针测量反射信号，该距离很好地模拟了真实情况下的远场探测。如图3所示，当二氧化钒电导率分别为10S/m、1000S/m、200000S/m时的反射谱可以发现，随着电导率的增大，反射振幅呈现下降的趋势，这就实现了主动调控的功能，在不同的电导率下具有不同的反射谱，也就是在不同的温度下具有不同的反射谱。
如图4所示，通过偏振转换效率公式分别计算了电导率为10S/m、1000S/m、200000S/m 的偏振转换效率，从图4中可以发现虽然振幅逐渐减弱，但其对应的偏振转换效率依然很高，几乎达到100％。这说明本发明具有良好的偏振转换效应，并且不随温度的变化而变化，具有很强的鲁棒性。
利用传统的微纳加工工艺可以制作上述设计的偏振转换器件。
加工此结构的具体过程：
1、首先，在基片上热蒸镀一层金属铝(金属铝反射层)；
2、然后，甩聚酰亚胺胶(中间层聚酰亚胺)；
3、最后，匀光刻胶、光刻/套刻、显影、蒸镀、剥离(顶层结构)
所用加工方法均为公知。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于二氧化钒可调控的反射型太赫兹偏振转换器，其特征在于，基于二氧化钒从绝缘态到金属态的相变过程，实现高效、可调谐反射型偏振转换器，所述偏振转换器对太赫兹波具有主动调控功能，偏振转换器的单元结构由三层结构组成：
底层为铝金属反射层；中间层为聚酰亚胺介质层；顶层为铝金属和相变材料二氧化钒组成的双斜对称矩形谐振环；
在x和y方向进行周期性排布形成超表面微结构。
2.根据权利要求1所述的一种基于二氧化钒可调控的反射型太赫兹偏振转换器，其特征在于，所述偏振转换效率为：
Figure FDA0002896897980000011
其中，反射信号为|Rxx|和|Ryx|，PCRxy表示x偏振入射时转换为y偏振的偏振转换效率，偏振转换效率为97％以上。
3.根据权利要求1所述的一种基于二氧化钒可调控的反射型太赫兹偏振转换器，其特征在于，所述超表面微结构的电磁响应特性是由三维电磁仿真软件仿真。
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