CN113067160B - 可切换超材料的多功能太赫兹偏振转换器及方法 - Google Patents

可切换超材料的多功能太赫兹偏振转换器及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可切换超材料的多功能太赫兹偏振转换器及其方法。本发明所提出的多功能器件从上到下依次为顶层金属开口谐振环、上介质层、连续二氧化钒膜、下介质层和金属衬底。本发明所设计的结构通过二氧化钒的绝缘与金属相变特性，仅使用一个连续二氧化钒薄膜就可以实现完全不同的功能。该器件对入射太赫兹波的极化状态不敏感，在大入射角下也表现出良好的性能。设计的反射多功能太赫兹器件在前沿研究和智能应用领域具有较大潜力。

Description

可切换超材料的多功能太赫兹偏振转换器及方法
技术领域
本发明涉及可调太赫兹偏振转换器，尤其涉及可切换超材料的多功能太赫兹偏振转换器及方法。
背景技术
太赫兹波介于光波与无线电波之间，凭借其独特特性逐渐成为世界各国的研究热点，太赫兹波以其安全性、穿透性、指纹识别性、宽带性和高分辨率等优良特性而在生物识别、安全检测、无线通讯、太赫兹成像等领域具有重大的应用前景，并有可能成为未来无线网络的工作频率，如第六代(6G)系统。太赫兹技术的多种应用要求开发高效的太赫兹源、探测器和高性能功能器件，如吸收器、滤波器、传感器、调制器、分束器和偏振转换器等，但包括偏振转换器在内的功能器件的缺乏仍然是这些应用的主要障碍。
近年来研究人员对超材料进行了大量的研究。超材料是一种人工设计的亚波长尺寸的结构，具有自然界材料所不具备的新颖物理特性。基于超材料结构的宽频带、高效率的偏振转换、滤波器、吸收器等新型功能器件不断涌现，偏振转换器的潜在应用价值也得到了不断地拓展。到目前为止，大多数设计的超材料器件在工作频率下实现单一的功能，这限制了超材料器件在实际系统中的应用。为了实现不同的功能，可以将超材料和功能材料(例如相变材料)结合使用。基于不同材料(包括石墨烯、二氧化钒和狄拉克半金属等)的可调谐超材料结构已被广泛研究。其中，二氧化钒具有电、磁、热或者光学刺激引起的可逆的绝缘体到金属的过渡特性。在相变过程中，二氧化钒的电导率可以改变4-5个数量级的幅度，这使得二氧化钒成为构建可调太赫兹超材料器件的有效选择。因此，本发明通过结合超材料结构特性和二氧化钒相变特性，可以将两个或者多个不同的功能集成到单个超材料器件中，在卫星导航、通信领域中展现出巨大的应用潜力。
发明内容
本发明为了克服现有技术不足，提供一种高效多功能的太赫兹偏振转换器。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种可切换超材料的多功能太赫兹偏振转换器，该转换器件由单元结构在平面上按阵列形式连续拼接而成；每个所述单元结构由不同的功能层叠加组成，从上到下依次为周期性金属开口谐振环、上介质层、二氧化钒薄膜、下介质层和底部金属衬底；所述上介质层、二氧化钒薄膜、下介质层和底部金属衬底的横截面均为正方形，所述周期性金属开口谐振环布置于上介质层上表面的中心，为具有两个开口的金属圆环且两个开口分别位于圆环的一条直径两端。
上述技术方案可采用如下优选方式：
作为优选，所述的周期性金属开口谐振环材料为铜，圆环外半径为25～35μm，内半径为20～30μm，厚度为0.15～0.25μm，每个所述开口在圆环上所占的圆心角为15°～35°。
作为优选，所述的周期性金属开口谐振环中，两个所述开口所在的直径与上介质层上表面的一条对角线重合。
作为优选，所述的上介质层材料为聚酰亚胺(PI)，长度和宽度均为70～90μm，厚度为14～18μm。
作为优选，所述的二氧化钒薄膜长度和宽度均为70～90μm，厚度为0.8～1.2μm。
作为优选，所述的单元结构的下介质层材料为聚酰亚胺(PI)，长度和宽度均为70～90μm，厚度为8～12μm。
作为优选，所述的单元结构的底部金属衬底材料为铜，长度和宽度均为70～90μm，厚度为0.15～0.25μm。
作为优选，所述单元结构按阵列形式连续拼接成正方形、长方形或六边形。
本发明的另一目的在于提供一种上述太赫兹偏振转换器件的偏振转换功能切换方法，其具体做法为：所述转换器件通过外加激励改变二氧化钒薄膜中二氧化钒材料的相变特性，使其在绝缘态和金属态之间可逆转换，实现线-线偏振转换和线-圆偏振转换两种功能的可控切换；其中，当二氧化钒处于绝缘体状态时，太赫兹波从信号输入端输入，依次经过周期性金属开口谐振环、上介质层、二氧化钒薄膜和下介质层，并在底部金属衬底产生反射，实现线-线偏振的转换；当二氧化钒处于金属态时，太赫兹波从信号输入端输入，依次经过周期性金属开口谐振环和上介质层，并在二氧化钒薄膜产生反射，实现线-圆偏振的转换。
作为优选，所述外加激励为电刺激、磁刺激、热刺激或者光学刺激。
该方法进一步提高了超材料器件的电磁调制能力，为多功能可调谐的新型太赫兹波偏振转换器件的设计提供了新的思路和技术方案，在太赫兹通信、光谱分析以及成像系统等领域具有广泛的应用前景。
相对于现有技术而言，本发明具有的有益效果在于：
1、本发明提供的多功能太赫兹偏振转换器，利用开口谐振环超材料结构，结合新型功能材料二氧化钒的相变特性，首次提供一种在太赫兹波段工作的高效、宽带的对反射光偏振态进行线-线偏振转换和线-圆偏振转换的方法。当相变材料分别处于绝缘态和金属态时，线偏振态的太赫兹波垂直入射情况下，能够分别对应生成线偏振态和圆偏振态的反射光，所得反射偏振光具有超宽带的效果，并且具有超高的转换效率，解决当前超材料偏振转换器件难以实现多功能高效宽带偏振调控的问题。特别的，本发明工作波段在太赫兹通信波段内，具有较强的应用型。
2、本发明公开的基于二氧化钒超材料的多功能偏振转换器件是一种集成、超薄的平面器件，不需要改变器件的结构特性，仅仅只需要施加电、磁、光以及温度等激励就能够在单个超材料器件中实现多个功能。因此，本发明公开的基于超材料结合相变材料的高效偏振多功能器件及方法，可广泛应用于小型化、集成化系统中，特别是太赫兹通信系统、偏振探测系统之中，能够有效的降低系统体积和重量。
附图说明
图1是可切换超材料的多功能太赫兹偏振转换器单元结构的三维示意图；
图2是可切换超材料的多功能太赫兹偏振转换器单元结构的顶层俯视图；
图3是二氧化钒为绝缘态时，太赫兹波垂直入射时线-线偏振转换的共极化反射系数(rEE)、交叉极化反射系数(rME)和偏振转换比(PCR)的曲线；
图4是二氧化钒为金属态时，太赫兹波垂直入射时共极化反射系数(rEE)和交叉极化反射系数(rME)的曲线；
图5是二氧化钒为金属态时，太赫兹波垂直入射时的轴比(AR)曲线；
具体实施方式
如图1所示，在本发明的一个较佳实施例中，提供了一种可切换超材料的多功能太赫兹偏振转换器，该转换器件由单元结构在平面上按阵列形式连续拼接而成。单元结构的具体拼接形式不限，可以通过周期阵列排布的形式连续拼接成正方形、长方形或六边形(近似六边形)，具体根据器件的设计要求而定。
每个单元结构由不同的功能层叠加组成，从上到下依次为周期性金属开口谐振环2、上介质层3、二氧化钒薄膜4、下介质层5和底部金属衬底6，单元结构顶部作为信号输入端1。其中，上介质层3、二氧化钒薄膜4、下介质层5和底部金属衬底6的横截面均为正方形，其叠加成一个长方体。而周期性金属开口谐振环2布置于上介质层3上表面的中心。如图2所示，周期性金属开口谐振环2为具有两个开口的金属圆环，即由两段圆环对向组成的分裂环；而且，两个开口分别位于圆环的一条直径两端，以该直径为中心对称，其在圆环上所占据的圆心角可以表示为α。
对于该太赫兹偏振转换器，可通过施加电刺激、磁刺激、热刺激或者光学刺激等外部激励，改变二氧化钒薄膜4中二氧化钒材料的绝缘-金属的相变特性，来实现超材料偏振转换器件的线偏-线偏转换功能到线偏-圆偏转换功能的可控切换。当二氧化钒处于绝缘体状态时，该结构可以等效于金属开口谐振环2、上介质层3、二氧化钒薄膜4、下介质层5和底部金属衬底6形成的金属绝缘体-金属腔，多功能器件可实现线-线偏振转换，入射的线偏振太赫兹波被反射后变成交叉极化的太赫兹波。而当二氧化钒发生相变变成金属态，实际上仅由金属开口谐振环2、上介质层3和二氧化钒薄膜4组成的顶部结构起作用，实现线-圆偏振的转换。由此，仅使用一个器件就可以实现两种完全不同的功能。
该太赫兹偏振转换器中各组件的具体材料和参数可选择如下：
周期性金属开口谐振环2材料为铜，圆环外半径为25～35μm，内半径为20～30μm，厚度为0.15～0.25μm，每个开口在圆环上所占的圆心角α为15°～35°。周期性金属开口谐振环2中，两个开口所在的直径与上介质层3上表面的一条对角线重合。上介质层3材料为聚酰亚胺(PI)，长度和宽度均为70～90μm，厚度为14～18μm。二氧化钒薄膜4长度和宽度均为70～90μm，厚度为0.8～1.2μm。单元结构的下介质层5材料为聚酰亚胺(PI)，长度和宽度均为70～90μm，厚度为8～12μm。单元结构的底部金属衬底6材料为铜，长度和宽度均为70～90μm，厚度为0.15～0.25μm。
对于该太赫兹偏振转换器件，其偏振转换功能切换方法如下：
转换器件中通过外加激励(电、磁、光以及温度等)改变二氧化钒薄膜4中二氧化钒材料的相变特性，使其在绝缘态和金属态之间可逆转换，实现线-线偏振转换和线-圆偏振转换两种功能的可控切换；其中，当二氧化钒处于绝缘体状态时，太赫兹波从信号输入端1输入，依次经过周期性金属开口谐振环2、上介质层3、二氧化钒薄膜4和下介质层5，并在底部金属衬底6产生反射，实现线-线偏振的转换；当二氧化钒处于金属态时，太赫兹波从信号输入端1输入，依次经过周期性金属开口谐振环2和上介质层3，并在二氧化钒薄膜4产生反射，实现线-圆偏振的转换。
下面基于该可切换超材料的多功能太赫兹偏振转换器，通过实施例说明其具体技术效果。
实施例1
本实施例中，高效多功能的太赫兹偏振转换器的结构和各部件形状如上所示(图1)，因此不再赘述。太赫兹波偏振转换器的单元结构参数具体为：周期性金属开口谐振环材料为铜，圆环外半径R为30μm，内半径R1为27μm，厚度为0.2μm，每个开口在圆环上所占的圆心角α为15°。周期性金属开口谐振环中，两个开口所在的直径与上介质层上表面的一条对角线重合。上介质层材料为聚酰亚胺(PI)，长度为80μm，宽度为80μm，厚度为16μm。二氧化钒薄膜长度为80μm，宽度为80μm，厚度为1μm。下介质层材料为聚酰亚胺(PI)，长度为80μm，宽度为80μm，厚度为10μm。底部金属衬底材料为铜，长度为80μm，宽度为80μm，厚度为0.2μm。
为了便于控制，该转换器通过施加温度作为外部激励来实现二氧化钒材料的相变特性转换。当在室温情况下，二氧化钒处于绝缘态，此时的转换器器件由金属开口谐振环、上介质层、二氧化钒薄膜、下介质层和底部金属衬底组成的结构起作用，可以将入射的线偏振太赫兹波转换为与入射波偏振态垂直的线偏振太赫兹波。图3为二氧化钒处于绝缘态时，太赫兹波垂直入射时共极化反射系数(rEE)、交叉极化反射系数(rME)以及偏振转换比(PCR)的曲线。所设计的结构在0.912～2.146THz范围内的偏振转换比大于90％。当温度高于68℃时，二氧化钒处于金属态，此时超材料转换器由金属开口谐振环、上介质层和二氧化钒薄膜组成的顶部结构起作用，可以将入射的线偏振太赫兹波转换为圆偏振太赫兹波。图4为二氧化钒为金属态时，太赫兹波垂直入射时共极化反射系数(rEE)和交叉极化反射系数(rME)的曲线；图5是二氧化钒为金属态时，太赫兹波垂直入射时的轴比AR曲线。在1.07～1.67THz的宽频率范围内，反射波的轴比都小于3dB，能够完美的将线偏振太赫兹波转换为圆偏振太赫兹波。该器件对入射太赫兹波的极化状态不敏感，在大入射角下也表现出良好的性能。设计的反射多功能太赫兹器件在前沿研究和智能应用领域具有较大潜力。
尽管结合具体特征及其实施例对本发明进行了描述，显而易见的，可对其进行各种修改和组合。相应的，本书明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本发明的示例性说明，且视为已覆盖本发明范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的范围。这样，倘若本发明的这些修改和变形属于本发明权利要求以及等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。

Claims (4)

1.一种可切换超材料的多功能太赫兹偏振转换器，其特征在于，该转换器由单元结构在平面上按阵列形式连续拼接而成；每个所述单元结构由不同的功能层叠加组成，从上到下依次为周期性金属开口谐振环（2）、上介质层（3）、二氧化钒薄膜（4）、下介质层（5）和底部金属衬底（6）；所述上介质层（3）、二氧化钒薄膜（4）、下介质层（5）和底部金属衬底（6）的横截面均为正方形，所述周期性金属开口谐振环（2）布置于上介质层（3）上表面的中心，为具有两个开口的金属圆环且两个开口分别位于圆环的一条直径两端；
所述的周期性金属开口谐振环（2）材料为铜，圆环外半径为30µm，内半径为27µm，厚度为0.2µm，每个所述开口在圆环上所占的圆心角为15°；
所述的周期性金属开口谐振环（2）中，两个所述开口所在的直径与上介质层（3）上表面的一条对角线重合；
所述的上介质层（3）材料为聚酰亚胺(PI)，长度和宽度均为80µm，厚度为16µm；
所述的二氧化钒薄膜（4）长度和宽度均为80µm，厚度为1µm；
所述的单元结构的下介质层（5）材料为聚酰亚胺(PI)，长度和宽度均为80µm，厚度为10µm；
所述的单元结构的底部金属衬底（6）材料为铜，长度和宽度均为80µm，厚度为0.2µm。
2.根据权利要求1所述的一种可切换超材料的多功能太赫兹偏振转换器，其特征在于，所述单元结构按阵列形式连续拼接成正方形、长方形或六边形。
3.一种根据权利要求1所述的太赫兹偏振转换器的偏振转换功能切换方法，其特征在于，所述转换器件通过外加激励改变二氧化钒薄膜（4）中二氧化钒材料的相变特性，使其在绝缘态和金属态之间可逆转换，实现线-线偏振转换和线-圆偏振转换两种功能的可控切换；其中，当二氧化钒处于绝缘体状态时，太赫兹波从信号输入端（1）输入，依次经过周期性金属开口谐振环（2）、上介质层（3）、二氧化钒薄膜（4）和下介质层（5），并在底部金属衬底（6）产生反射，实现线-线偏振的转换；当二氧化钒处于金属态时，太赫兹波从信号输入端（1）输入，依次经过周期性金属开口谐振环（2）和上介质层（3），并在二氧化钒薄膜（4）产生反射，实现线-圆偏振的转换。
4.如权利要求3所述的偏振转换功能切换方法，其特征在于，所述外加激励为电刺激、磁刺激、热刺激或者光学刺激。
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