CN112886258B - 可透可反双功能太赫兹波分束器及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可透可反双功能太赫兹波分束器及其方法。它包括太赫兹波输入端、N×N个单元结构，N为自然数；N×N个单元结构周期排列与太赫兹波输入方向垂直的平面上，单元结构包括全介质柱状结构、聚酰亚胺介质层、衬底二氧化钒。其中，单元结构有两种，一种单元结构的全介质柱状结构为第一等腰三角柱体，另一种单元结构的全介质柱状结构为大等腰三角柱体，两种单元结构中间介质层都为聚酰亚胺，底层都为二氧化钒，其中底层二氧化钒在达到相变条件后实现控制所设计结构透射反射的作用。本发明的可透可反双功能太赫兹分束器具有结构简单，材料容易制备，且可以在不改变结构的情况下通过温度变化实现透射反射的转换，满足在太赫兹波系统应用要求。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹波应用技术领域，尤其涉及可变材料的可透可反双功能太赫兹波分束器及其方法。
背景技术
太赫兹波是指频率在0.1～10THz，波长为3000～30μm范围内的电磁波，它在长波段与毫米波相重合，而在短波段与红外线相重合，太赫兹波在电磁波频谱中占有很特殊的位置。因此太赫兹技术在高速通信和成像等领域具有广泛应用前景。作为太赫兹波控制重要器件之一的太赫兹波分束器引起了国内外研究人员的广泛关注。近年来，各种太赫兹滤波器、太赫兹波开关、太赫兹波调制器等都有研制的报道。在设计太赫兹器件的过程中，一旦加工制作好就无法改动，所以往往功能单一，不具有多功能的特性，不可调控，限制了太赫兹技术的应用和发展，
发明内容
本发明为了克服现有技术不足，提供一种可透可反双功能太赫兹波分束器。本发明可以通过温度调控超表面的反射分束和透射分束两种功能。本发明结构简单，易于加工，是能够实现集透射和反射于一体的多功能器件。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种可透可反双功能太赫兹波分束器，其包括太赫兹波输入端、N×N个单元结构，N为大于8的自然数；N×N个单元结构周期排列于太赫兹波输入方向垂直的平面上构成太赫兹波分束器，其顶面作为太赫兹波输入端，且所述单元结构具有第一等腰三角柱单元结构和第二等腰三角柱单元结构两类；N×N个单元结构组成的阵列中，以4列为一个周期单元，每个周期单元中的所有单元结构均统一为第一等腰三角柱单元结构或第二等腰三角柱单元结构，由第一等腰三角柱单元结构构成的周期单元和由第二等腰三角柱单元结构构成的周期单元交替排布；每个所述第一等腰三角柱单元结构包括全介质第一等腰三角柱结构、聚酰亚胺介质层和衬底二氧化钒；其中全介质第一等腰三角柱结构位于聚酰亚胺介质层上方，衬底二氧化钒位于聚酰亚胺介质层下方；每个所述第二等腰三角柱单元结构包括全介质第二等腰三角柱结构、聚酰亚胺介质层和衬底二氧化钒；其中全介质第二等腰三角柱结构位于聚酰亚胺介质层上方，衬底二氧化钒位于聚酰亚胺介质层的下方；全介质第一等腰三角柱结构的横截面为第一等腰三角形，全介质第二等腰三角柱结构的横截面为第二等腰三角形，且第二等腰三角形的尺寸大于第一等腰三角形，第一等腰三角柱单元结构与第二等腰三角柱单元结构具有180°或接近180°的相位差。
上述方案中的各部件具体参数可采用如下优选方式：
作为优选，所述第一等腰三角柱单元结构和第二等腰三角柱单元结构的俯视图均为正方形，正方形边长为100μm。
作为优选，所述的聚酰亚胺介质层横截面呈正方形，边长为100μm，厚度为30～35μm。
作为优选，所述的衬底二氧化钒层横截面呈正方形，边长为100μm，厚度为0.2～0.5μm。
作为优选，所述全介质第一等腰三角柱状结构的材料为聚酰亚胺，高度为180～200μm，其横截面的第一等腰三角形底边长为10μm，腰长为
作为优选，所述全介质第二等腰三角柱状结构的材料为聚酰亚胺，高度为180～200μm，其横截面的第二等腰三角形底边长为100μm，腰长为
作为优选，所述N＝32。
本发明还提供了一种使用如前述任一方案所述分束器的可透可反双功能太赫兹波分束方法，该方法通过调控温度实现反射分束和透射分束两种不同功能：
当温度高于68°时，衬底二氧化钒为金属态，此时可透可反双功能太赫兹分束器为反射模式；在反射模式下，当频率为0.75THz的太赫兹波从太赫兹波输入端输入时，被N×N个单元结构反射，将垂直入射的太赫兹波分为对称反射的两束太赫兹波，实现反射分束；
当温度低于68°时，衬底二氧化钒为介质态，此时可透可反双功能太赫兹分束器为透射模式；在透射模式下，当频率为1.5THz的太赫兹波从太赫兹波输入端输入时，透过N×N个单元结构，将垂直入射太赫兹波分为对称透射的两束太赫兹波，实现透射分束。
本发明的可透可反双功能太赫兹波分束器具有多功能，可调谐，结构简单，制作方便的特点，且可以在不改变结构的情况下通过温度变化实现透射反射的转换，满足在太赫兹波系统应用要求。
附图说明
图1(a)、(b)、(c)、(d)和(e)分别是可透可反双功能太赫兹波分束器的俯视图、第一等腰三角柱单元结构的三维图、第一等腰三角柱单元结构的俯视图、第二等腰三角柱单元结构的三维图、第二等腰三角柱单元结构的俯视图；
图2(a)和(b)分别是可透可反双功能太赫兹波分束器在反射模式下对频率为0.75THz垂直入射太赫兹波的三维远场散射图和二维远场散射图；
图3是可透可反双功能太赫兹波分束器在反射模式下对频率为0.75THz垂直入射太赫兹波的归一化反射幅度曲线；
图4(a)和(b)分别是可透可反双功能太赫兹波分束器在透射模式下对频率为1.5THz垂直入射太赫兹波的三维远场散射图和二维远场散射图；
图5是可透可反双功能太赫兹波分束器在透射模式下对频率为1.5THz垂直入射太赫兹波的归一化透射幅度曲线。
具体实施方式
如图1所示，在本发明的一个实施例中，提供了一种可透可反双功能太赫兹波分束器，其包括太赫兹波输入端1、N×N个单元结构，N为大于8的自然数。N×N个单元结构周期排列于太赫兹波输入方向垂直的平面上构成太赫兹波分束器，其顶面作为太赫兹波输入端1。其中，单元结构具有第一等腰三角柱单元结构6和第二等腰三角柱单元结构7两类。N×N个单元结构组成的阵列中，以4列为一个周期单元，每个周期单元中的所有单元结构均统一为第一等腰三角柱单元结构6，或者统一为第二等腰三角柱单元结构7。因此参见图1中(a)所示，由第一等腰三角柱单元结构6构成的周期单元和由第二等腰三角柱单元结构7构成的周期单元交替排布，以前四列全部为第一等腰三角柱单元结构6，下面四列全部为第二等腰三角柱单元结构7，再下面四列又全部为第一等腰三角柱单元结构6，不断交替。
参见图1中(b)和(c)所示，每个第一等腰三角柱单元结构6包括全介质第一等腰三角柱结构2、聚酰亚胺介质层4和衬底二氧化钒5；其中全介质第一等腰三角柱结构2位于聚酰亚胺介质层4上方，衬底二氧化钒5位于聚酰亚胺介质层4下方。在第一等腰三角柱单元结构6中，全介质第一等腰三角柱结构2垂直安装于聚酰亚胺介质层4的上表面正中心，即全介质第一等腰三角柱结构2的中心轴线穿过聚酰亚胺介质层4的上表面中心点。衬底二氧化钒5可镀于聚酰亚胺介质层4下表面。
参见图1中(d)和(e)所示，每个第二等腰三角柱单元结构7包括全介质第二等腰三角柱结构3、聚酰亚胺介质层4和衬底二氧化钒5；其中全介质第二等腰三角柱结构3位于聚酰亚胺介质层4上方，衬底二氧化钒5位于聚酰亚胺介质层4的下方。在第二等腰三角柱单元结构7中，全介质第二等腰三角柱结构3垂直安装于聚酰亚胺介质层4的上表面正中心，即全介质第二等腰三角柱结构3的中心轴线穿过聚酰亚胺介质层4的上表面中心点。衬底二氧化钒5可镀于聚酰亚胺介质层4下表面。
第一等腰三角柱单元结构6和第二等腰三角柱单元结构7中，聚酰亚胺介质层4和衬底二氧化钒5是完全相同的，其区别仅在于全介质第一等腰三角柱结构2和全介质第二等腰三角柱结构3的横截面尺寸不同。全介质第一等腰三角柱结构2的横截面为第一等腰三角形，全介质第二等腰三角柱结构3的横截面为第二等腰三角形，且第二等腰三角形的尺寸大于第一等腰三角形。可以通过调节全介质第一等腰三角柱结构2和全介质第二等腰三角柱结构3的横截面尺寸，来改变第一等腰三角柱单元结构6与第二等腰三角柱单元结构7的相位差，最终应当保证第一等腰三角柱单元结构6与第二等腰三角柱单元结构7的相位差为180°。当然，在实际使用时，第一等腰三角柱单元结构6与第二等腰三角柱单元结构7的相位差并不需要完全准确的180°，只要具有接近180°的相位差即可。
最终拼接成的N×N个单元结构中，聚酰亚胺介质层4和衬底二氧化钒层5是连续拼接的，而全介质第一等腰三角柱结构2和全介质第二等腰三角柱结构3则是独立不接触的。每个全介质第一等腰三角柱结构2和全介质第二等腰三角柱结构3的顶面均作为太赫兹波输入端1，太赫兹波可以从太赫兹波输入端1垂直入射。
该可透可反双功能太赫兹波分束器中各部件的具体材料和参数如下：第一等腰三角柱单元结构6和第二等腰三角柱单元结构7的俯视图(即图1中c和d所示)外轮廓均为正方形，正方形边长为100μm。聚酰亚胺介质层4横截面呈正方形，边长为100μm，厚度为30～35μm。衬底二氧化钒层5横截面呈正方形，边长为100μm，厚度为0.2～0.5μm。全介质第一等腰三角柱状结构2的材料为聚酰亚胺，高度为180～200μm，其横截面的第一等腰三角形底边长为10μm，腰长为
全介质第二等腰三角柱状结构3的材料为聚酰亚胺，高度为180～200μm，其横截面的第二等腰三角形底边长为100μm，腰长为
另外，要想实现分束器的反射分束和透射分束，单元结构的具体个数也需要进行优化。本发明中中，优选N＝32。
基于上述分束，还可以提供一种可透可反双功能太赫兹波分束方法，该方法是通过调控温度实现反射分束和透射分束两种不同功能的，具体如下：
当温度高于68°时，衬底二氧化钒5为金属态，此时可透可反双功能太赫兹分束器为反射模式；在反射模式下，当频率为0.75THz的太赫兹波从太赫兹波输入端1输入时，被N×N个单元结构反射，利用小等腰三角柱单元结构6和大等腰三角柱单元结构7的180°反射相位差以及具有较高反射率的特性，将垂直入射的太赫兹波分为对称反射的两束太赫兹波，实现反射分束；
当温度低于68°时，衬底二氧化钒5为介质态，此时可透可反双功能太赫兹分束器为透射模式；在透射模式下，当频率为1.5THz的太赫兹波从太赫兹波输入端1输入时，透过N×N个单元结构，利用小等腰三角柱单元结构6和大等腰三角柱单元结构7的180°透射相位差以及具有较高透射率的特性，将垂直入射太赫兹波分为对称透射的两束太赫兹波，实现透射分束。
下面基于该可透可反双功能太赫兹波分束器，通过实施例说明其具体技术效果。
实施例1
本实施例中，可调多角度太赫兹波分束器的结构和各部件形状如上所述，因此不再赘述。但各部件的具体参数如下：
选择单元结构个数N＝32，32×32个单元结构按照图1所示形式周期排布形成正方形的阵列。第一等腰三角柱单元结构6和第二等腰三角柱单元结构7的俯视图均为正方形，正方形边长为100μm。聚酰亚胺介质层4横截面呈正方形，边长为100μm，厚度为30μm。衬底二氧化钒层5横截面呈正方形，边长为100μm，厚度为0.2μm。全介质第一等腰三角柱状结构2的材料为聚酰亚胺，高度为180μm，其横截面的第一等腰三角形底边长为10μm，腰长为
全介质第二等腰三角柱状结构3的材料为聚酰亚胺，高度为180μm，其横截面的第二等腰三角形底边长为100μm，腰长为
该可调多角度太赫兹波分束器可以通过温度调控超表面的反射分束和透射分束两种功能。
当温度高于68°时，衬底二氧化钒为金属态时，此时的二氧化钒层相当于金属板，将垂直入射的太赫兹波全反射，所以此时为反射型太赫兹分束器。当0.75THz太赫兹波在输入端输入时，由于两种单元结构的反射相位差接近180°，且反射率很高，太赫兹分束器的排列方式为第一到第四列为第一等腰三角柱单元结构构成的周期单元，第五到第八列为第二等腰三角柱单元结构构成的周期单元，以一到八列为一个交替周期进行四周期排列，该结构可以将垂直入射的太赫兹波分为对称反射的两束太赫兹波，达到分束效果。如图2(a)所示，频率为0.75THz垂直入射太赫兹波被分为对称反射两束太赫兹波的三维远场图。图2(b)显示了0.75THz垂直入射太赫兹波被分为对称反射两束太赫兹波的二维远场图。图3为可透可反双功能太赫兹波分束器在反射模式下对频率为0.75THz垂直入射太赫兹波的归一化反射幅度曲线，经计算可知，当垂直入射的太赫兹波频率为0.75THz时，分束的仰角为30°。
当温度低于68°时，二氧化钒为介质态，垂直入射太赫兹波透过所设计结构，此时为透射型太赫兹分束器。当1.5THz太赫兹波在输入端输入时，由于两种单元结构的透射相位差接近180°，且透射率较高，太赫兹分束器排列方式为第一到第四列为第一等腰三角柱单元结构构成的周期单元，第五到第八列为第二等腰三角柱单元结构构成的周期单元，以一到八列为一个交替周期进行四周期排列，可以将1.5THz垂直入射太赫兹波分为对称透射的两束太赫兹波。如图4(a)所示，1.5THz垂直入射太赫兹波透过所设计结构后被分为对称透射两束太赫兹波的三维远场图。图4(b)显示了1.5THz垂直入射太赫兹波透过所设计结构后被分为对称透射两束太赫兹波的二维远场图。图5为可透可反双功能太赫兹波分束器在透射模式下对频率为1.5THz垂直入射太赫兹波的归一化反射幅度曲线，经计算知，当垂直入射的太赫兹波频率为1.5THz时，透射分束的仰角为14°。
由此可见，透射型太赫兹波分束器与反射型太赫兹透分束器的单元排列相同，仅仅通过改变温度，改变了可透可反双功能太赫兹分束器的工作模式。
Claims (8)
1.一种可透可反双功能太赫兹波分束器，其特征在于，包括N×N个单元结构，N为大于8的自然数；N×N个单元结构周期排列于太赫兹波输入方向垂直的平面上构成太赫兹波分束器，其顶面作为太赫兹波输入端(1)，且所述单元结构具有第一等腰三角柱单元结构(6)和第二等腰三角柱单元结构(7)两类；N×N个单元结构组成的阵列中，以4列为一个周期单元，每个周期单元中的所有单元结构均统一为第一等腰三角柱单元结构(6)或第二等腰三角柱单元结构(7)，由第一等腰三角柱单元结构(6)构成的周期单元和由第二等腰三角柱单元结构(7)构成的周期单元交替排布；每个所述第一等腰三角柱单元结构(6)包括全介质第一等腰三角柱结构(2)、聚酰亚胺介质层(4)和衬底二氧化钒(5)；其中全介质第一等腰三角柱结构(2)位于聚酰亚胺介质层(4)上方，衬底二氧化钒(5)位于聚酰亚胺介质层(4)下方；每个所述第二等腰三角柱单元结构(7)包括全介质第二等腰三角柱结构(3)、聚酰亚胺介质层(4)和衬底二氧化钒(5)；其中全介质第二等腰三角柱结构(3)位于聚酰亚胺介质层(4)上方，衬底二氧化钒(5)位于聚酰亚胺介质层(4)的下方；全介质第一等腰三角柱结构(2)的横截面为第一等腰三角形，全介质第二等腰三角柱结构(3)的横截面为第二等腰三角形，且第二等腰三角形的尺寸大于第一等腰三角形，第一等腰三角柱单元结构(6)与第二等腰三角柱单元结构(7)具有180°或接近180°的相位差。
2.如权利要求1所述的一种可透可反双功能太赫兹波分束器，其特征在于，所述第一等腰三角柱单元结构(6)和第二等腰三角柱单元结构(7)的俯视图均为正方形，正方形边长为100μm。
3.如权利要求1所述的一种可透可反双功能太赫兹波分束器，其特征在于，所述的聚酰亚胺介质层(4)横截面呈正方形，边长为100μm，厚度为30～35μm。
4.如权利要求1所述的一种可透可反双功能太赫兹波分束器，其特征在于，所述的衬底二氧化钒层(5)横截面呈正方形，边长为100μm，厚度为0.2～0.5μm。
5.如权利要求1所述的一种可透可反双功能太赫兹波分束器，其特征在于，所述全介质第一等腰三角柱状结构(2)的材料为聚酰亚胺，高度为180～200μm，其横截面的第一等腰三角形底边长为10μm，腰长为
6.如权利要求1所述的一种可透可反双功能太赫兹波分束器，其特征在于，所述全介质第二等腰三角柱状结构(3)的材料为聚酰亚胺，高度为180～200μm，其横截面的第二等腰三角形底边长为100μm，腰长为
7.如权利要求1所述的一种可透可反双功能太赫兹波分束器，其特征在于，所述N＝32。
8.一种使用如权利要求1～7任一所述分束器的可透可反双功能太赫兹波分束方法，其特征在于，通过调控温度实现反射分束和透射分束两种不同功能：
当温度高于68°时，衬底二氧化钒(5)为金属态，此时可透可反双功能太赫兹分束器为反射模式；在反射模式下，当频率为0.75THz的太赫兹波从太赫兹波输入端(1)输入时，被N×N个单元结构反射，将垂直入射的太赫兹波分为对称反射的两束太赫兹波，实现反射分束；
当温度低于68°时，衬底二氧化钒(5)为介质态，此时可透可反双功能太赫兹分束器为透射模式；在透射模式下，当频率为1.5THz的太赫兹波从太赫兹波输入端(1)输入时，透过N×N个单元结构，将垂直入射太赫兹波分为对称透射的两束太赫兹波，实现透射分束。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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