CN113131218B - 一种用于极化转换和波前调控的THz宽带可切换超表面 - Google Patents
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Abstract
一种用于极化转换和波前调控的THz宽带可切换超表面。该超表面由六层组成，从底层到顶层依次为：第一层为金属层，第二层为介质层，第三层为金属谐振结构，第四层为二氧化钒薄膜，第五层为与第二层相同的介质层，第六层为二氧化钒谐振结构。当二氧化钒为金属态时，二氧化钒薄膜层‑介质层‑二氧化钒谐振结构可形成类法布里‑珀罗腔，实现THz波极化转换。当二氧化钒为绝缘态时，金属层‑介质层‑金属谐振结构可激发电谐振和磁谐振，从而通过改变金属谐振结构的几何参数可得到多个不同相位的单元结构，再通过对相位分布进行排列，实现在宽带范围内的波前调控。两种功能的切换可通过光、电压或温度调控二氧化钒的电导率实现。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹超表面设计技术领域，具体涉及一种用于极化转换和波前调控的THz宽带可切换超表面。
背景技术
太赫兹(THz)波对应的波长范围为0.03～3mm，具有强穿透性、瞬态性、安全性和指纹谱性等特点，因而在介质检测、医学组织成像以及生化检测与识别等领域具有巨大的应用前景。但也正是由于THz波的特殊性，传统的电子和光子设备在THz波段内无法产生电磁响应，导致各种THz功能器件的研究严重滞后。值得庆幸的是，由亚波长单元结构按照周期或非周期排列组成的二维人工超表面可构筑任意的电导率和磁导率的介质，实现自然界中不存在的电磁特性，从而为THz器件的发展和应用提供了可行性。大量基于超表面的THz器件被广泛研究和提出，如贝塞尔波束发生器、THz吸波器、THz聚焦透镜和THz分束器等。
近年来，随着集成系统和智能控制技术的发展，具有可切换多功能的THz器件成为了新的研究热点。在微波波段，为实现可切换多功能，研究者们通常将针管二极管和电容二极管加入到超表面的设计中。然而，由于加工上的限制，该方法无法在THz波段或光波段实现。一种可替代的方法是，将可调材料(如Ge2Sb2Te5(GST)、液晶、二氧化钒(VO2)和石墨烯等)结合到超表面中，通过外部激励的方式实现可切换多功能超表面。在这些可调材料中，VO2具有相变响应速度快、电导率变化范围广、制备简单和控制方法多样等突出优点，在可切换多功能超表面的设计中应用广泛。目前，人们提出了许多基于VO2的THz可切换超表面，但这些超表面仍然存在带宽窄和灵活性差等缺点。因此，有必要对THz宽带可切换超表面进一步的探索。
发明内容
本发明设计了一种用于极化转换和波前调控的THz宽带可切换超表面，可在宽带范围内实现极化转换功能和波前调控功能之间的相互切换。
本发明采用的技术方案是，设计了一种用于极化转换和波前调控的THz宽带可切换超表面。该超表面的单元结构由六层组成，从底层到顶层依次为：第一层为金属层，第二层为介质层，第三层为金属谐振结构，第四层是VO2薄膜层，第五层为与第二层相同的介质层，第六层为VO2谐振结构；该VO2谐振结构为长方形，且其与单位结构边沿呈45°角。
其中，所述VO2谐振结构单元可以但不限于是长方形。
其中，所述介质层的材料可以是介电常数小于2.5的介质，如氟化镁(MgF2)，但不限于是MgF2。
其中，所述VO2谐振结构的外部激励可为光、温度或电压。
进一步地，VO2的介电常数在THz波段可由Drude模型描述为：
式中，ε∞＝12和γ＝5.75×10 13rad/s分别为高频介电常数和振荡频率。等离子频率ωp与电导率σ的关系为：
式中，σ0＝3×105S/m和ωp(σ0)＝1.4×1015rad/s。
进一步地，通过外部激励可改变VO2的电导率，进而实现VO2在金属态和绝缘态之间的相互转换。
进一步地，当VO2为金属态时，VO2薄膜层-介质层-VO2谐振结构可形成类法布里-珀罗腔，进而实现太赫兹波极化转换。
进一步地，当VO2为绝缘态时，金属层-介质层-金属谐振结构可激发电谐振和磁谐振，从而通过改变金属谐振结构的几何参数可得到多个不同相位的单元结构，再通过对相位分布进行排列，在宽带范围内实现波前调控。
本发明所述的宽带可切换超表面利用了VO2的相变特性，通过外部激励(光、电压或温度)改变VO2的电导率，实现太赫兹波极化转换和波前调控之间的切换功能。
本发明的有益效果是：本发明的超表面可以在同一宽频带THz范围内通过改变VO2的电导率，实现太赫兹波极化转换和波前调控功能之间的相互切换，其具有频带宽、灵活性高，以及动态调控方式多样等特点。
附图说明
为了更清楚地对本发明实施例作进一步详细说明，下面将对实施例中使用的附图作简单地介绍。有必要在此指出的是所述附图仅仅是本发明的一些实施例，而并不意味着是对本发明保护范围的任何限定。
图1是根据本发明实施例中的超表面结构示意图，该吸收器是由金属层、介质层、金属谐振结构、VO2薄膜、介质层和形状为长方形的VO2谐振结构组成。
图2是根据本发明实施例中超表面在VO2处于金属态下，u线极化入射波和v线极化入射波的反射幅度、相位以及相位差。
图3是根据本发明实施例中超表面在VO2处于金属态下，x或y线极化入射波的交叉极化反射率(Rcross)、共极化反射率(Rco)和极化转换率(PCR)。
图4是根据本发明的实施例中超表面在VO2处于绝缘态下，8个优化后的单元结构的反射幅度和相位。
图5是根据本发明的实施例中超表面在VO2处于绝缘态下，1比特随机编码超表面和金属板的从1THz到1.5THz的雷达散射截面(RCS)随频率的变化。
图6是根据本发明的实施例中超表面在VO2处于绝缘态下，通过2比特编码实现的波束偏折器从0.9THz到1.5THz的反射效率。
图7是根据本发明的实施例中超表面在VO2处于绝缘态下，通过3比特编码实现的聚焦超表面在0.9THz、1.15THz和1.4THz处焦平面上沿中线的光场强度分布。
具体实施方式
下面结合本实施例中的附图，对本发明实施例中设计方案进行清楚、完整地描述；所描述的实施例仅仅是本发明中的一部分实施例，而不是意味着是对本发明保护范围的任何限定。
实施例
一种用于极化转换和波前调控的THz宽带可切换超表面单元结构由六层组成，从底层到顶层依次为：材料为金的金属层1，材料为MgF2的介质层2，材料为Au的谐振结构3，材料为VO2的薄膜4，材料为MgF2的介质层5，材料为VO2的谐振结构6，如附图1所示。作为实施例，形状为长方形的VO2谐振结构与单位结构边沿呈45°角，金属谐振结构由一个四面开口的方形环和四对嵌入开口处的金属条组成。单元结构的几何参数分别为：p＝100微米、h1＝1微米、h2＝30微米、h3＝1微米、h4＝0.5微米、h5＝35微米、h6＝1微米、w1＝28微米、w2＝1微米、l1＝111微米和l2＝30微米。
当VO2的电导率为500000西门子/米时，VO2为金属态，单元结构可以看作是一个由VO2薄膜、介质层和VO2谐振结构构成的法布里-珀罗腔。当入射波为x或者y线极化波时，其可以被分解为沿u和v两个方向的两个相交分量Eui和Evi，进而激发与单位结构边沿呈45°角的VO2谐振结构产生u和v方向的共振。图2为本实施例中超表面单元结构在VO2为金属态时，u和v线极化入射波的反射幅度、相位和相位差。从图2中可以看出，u和v线极化波的反射幅度近似相等，其相位差约为180°。由此可见，超表面可以作为半波片，将x线极化波和y线极化波相互转化。
图3为本实施例中超表面单元结构在VO2为金属态以及入射波为x或y线极化波时，其交叉极化反射率(Rcross)、共极化反射率(Rco)和极化转换率(PCR)。从图3可知，从0.66THz到1.44THz频带范围内，超表面的交叉极化反射率高于65％，且共极化反射率接近0，因而极化转换率高于90％。
当VO2电导率为10西门子/米时，VO2为绝缘态,超表面单元结构可以看作一个编码粒子。在THz线极化波的激励下，金属谐振结构和金属层之间产生反向和同向的电流，使电偶极子和磁偶极子共存于受激单元结构中，从而提高了单元结构的反射率，且拓展了带宽和相位调节范围。根据编码超表面的概念，实现1比特编码超表面需要两个相位相差180°的编码粒子；2比特编码则需要四个相位差为90°的编码粒子；以此类推，3比特编码则需要8个相位差为45°的编码粒子。通过改变金属谐振结构的几何参数l3和l4可以得到8个编码粒子，它们的几何参数分别为：E0(l3＝0微米，l4＝0.5微米)、E1(l3＝5.5微米，l4＝3.5微米)、E2(l3＝9微米，l4＝3.5微米)、E3(l3＝13微米，l4＝3微米)、E4(l3＝14.5微米，l4＝4微米)、E5(l3＝20微米，l4＝4微米)、E6(l3＝23微米，l4＝16微米)、E7(l3＝23.5微米，l4＝21.5微米)。图4为本实施例中超表面单元结构在VO2为绝缘态时，8个编码粒子的反射幅度和相位。分析图4可知，8个编码粒子从0.9THz到1.5THz频带范围内，具有高于84％的反射幅度，并且满足2π的相位覆盖。8个编码粒子对应的相位从E0到E7分别表示为：“000”、“001”、“010”、“011”、“100”、“101”、“110”、“111”。为了验证超表面波前调控的能力，本实施例分别用1比特编码、2比特编码和3比特编码实现了漫散射、波束偏折和波束聚焦。
为了实现漫散射，本实施例设计了一个24×24的1比特随机超表面，其中包含8×8个随机排列的编码晶格，每个编码晶格由3×3正方形编码粒子组成。图5为本实施例中超表面在VO2为绝缘态时，1比特随机编码超表面和金属板的RCS随频率的变化。可以看出，1比特随机编码超表面从1.2THz到1.47THz频带散射峰抑制小于-10dB，最高可实现-22dB的散射峰抑制。插图中展示了漫散射超表面在1.3THz处相较于金属板产生了大量的散射波束，散射强度得到抑制。
为了实现波束偏折，本实施例中设计了一个24×24的2比特编码超表面，其中包含8×8个编码晶格，每个编码晶格由3×3正方形编码粒子组成。基于广义斯涅尔定律，将编码晶格按照周期编码序列“000，010，100，110……”延y轴排列，进而实现波束偏折。从图6可可以看出，超表面从0.95THz到1.45THz频段范围内的反射效率可达到82％。插图中展示了在0.95THz和1.45THz波束偏折器的远场光场强度分布，可以看出，波束偏折器实现了良好的波束偏折。
根据聚焦理论，超表面中的不同编码粒子意味着到达焦点的不同光路。因此，需要由超表面的每个编码粒子的反射相位来补偿空间相位延迟。为了实现波束聚焦，在(x,y)处的相位
需要满足公式：
式中，λ和f分别是波长和焦距。根据上述公式，在实施例中通过3比特编码设计了一个31×31的聚焦超表面，其中，焦距和频率分别为1800微米和1.15THz。图7展示出了0.9THz、1.15THz和1.4THz处焦平面上沿中线的强度分布，从插图中可以看出，3比特聚焦超表面在焦平面上形成了良好的焦点。在0.9THz、1.15THz和1.4THz处的反射光强分别达到了入射强度的177.25倍、128.04倍和125.90倍增益。在0.9THz、1.15THz和1.4THz处的半波全宽分别为184.67微米、180.19微米和171.97微米，均小于衍射极限尺寸184.79微米(1.22λf/D，D为聚焦超表面的宽度)，满足超分辨聚焦的条件。由此可见，所设计的3比特聚焦超表面可以实现0.9THz到1.4THz频带的超分辨聚焦。
以上所述是本发明应用的技术原理和具体实例，依据本发明的构想所做的同等或等价设计、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种用于极化转换和波前调控的THz宽带可切换超表面，其特征在于：超表面单元结构由六层组成，从底层到顶层依次为：第一层为金属层，第二层为介质层，第三层为金属谐振结构，第四层为二氧化钒薄膜层，第五层为与第二层相同的介质层，第六层为二氧化钒谐振结构，该二氧化钒谐振结构为与单位结构边沿呈45°角的长方形；金属谐振结构由一个四面开口的方形环和四对嵌入开口处的金属条组成；通过改变二氧化钒的电导率，可在太赫兹宽频带范围内实现所述宽带可切换超表面的极化转换和波前调控功能之间的转换。
2.根据权利要求1所述的一种用于极化转换和波前调控的THz宽带可切换超表面，其特征在于：当二氧化钒为金属态时，二氧化钒薄膜、介质层以及二氧化钒谐振结构可形成类法布里-珀罗腔，实现太赫兹波极化转换。
3.根据权利要求1所述的一种用于极化转换和波前调控的THz宽带可切换超表面，其特征在于：介质层为介电常数小于2.5的介质。
4.根据权利要求1所述的一种用于极化转换和波前调控的THz宽带可切换超表面，其特征在于：当二氧化钒为绝缘态时，金属层-介质层-金属谐振结构可激发电谐振和磁谐振，因而通过改变金属谐振结构的几何参数可得到多个具有不同相位的单元结构，进而通过对相位分布进行排布，实现在宽带范围内的波前调控。
5.根据权利要求1所述的一种用于极化转换和波前调控的THz宽带可切换超表面，其特征在于：通过光控、电控或温控可调节二氧化钒的电导率，实现超表面的功能切换。
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Legal Events
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| 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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