CN113378372A - 一种太赫兹涡旋处理器的设计方法及其所得产品与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太赫兹涡旋处理器的设计方法，包括以下步骤：确定目标相位调制矩阵
和
得到超构表面的几何相位
和共振相位
矩阵；在电磁场仿真模拟设计中，确定介质柱的高度和周期，设置LCP波入射，然后对长宽进行扫描，得到不同长宽的透射相位矩阵；在透射相位矩阵中筛选结构参数以满足对应的
再旋转角度θ以满足
对LCP波和RCP波入射，几何相位
互为正负关系，传播相位
相同，形成自旋复用的相位调制；根据上述设计确定超表面结构参数，进行光刻掩膜板的制备。本发明还公开了上述设计方法所制得的太赫兹涡旋处理器及其应用。本发明能够实现自旋角动量和轨道角动量的同时产生和检测。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料及其制法与应用，具体为一种太赫兹涡旋处理器的设计方法及其所得产品与应用。
背景技术
太赫兹(THz)波是频率在0.1-10THz(对应波长为30μm-3000μm)之间的电磁波，位于微波和红外波段之间，是电子学和光子学的过渡频段。因其独特的性质，使得太赫兹技术在安全检查、生物医学和高速无线通信等诸多领域具有广阔的应用前景。特别地，随着近几年来无线通信端的数据传输量出现了爆炸式增长，预计到2020年会达到每个月41艾字节(EB)的量级，现今商用的微波通信技术由于通信频段较窄，已逐渐无法满足如此巨大的数据传输量需求，因此通信频段不可避免地向长波段(太赫兹波段)移动，因此，利用太赫兹波作为通信媒介的太赫兹信号处理器、调制器等受到了广泛研究。其中，基于轨道角动量(OAM)模式的模式复用通信可以在频率之外增加模式这样一个全新的自由度，可大大提升太赫兹通信的信道容量。
涡旋光束是一种具有螺旋型波前和中心相位奇点的特殊光束。光束围绕相位奇点呈现的螺旋型波前特性可以用拓扑核数m表示，m的大小对应沿着光束传播方向一个光学波长内相位旋转的圈数，这种携带有OAM的特殊光束可用于基于OAM模式复用的大容量通讯。目前产生太赫兹涡旋光束的方法有几种，例如聚合物螺旋相位板、设计有 V型天线的超表面、拼接不同光轴方向的半波片以及液晶q波片等。这些产生太赫兹涡旋的方法的弊端在于器件的大型化、加工困难、效率低等问题，并且无法实现太赫兹涡旋的阵列化产生与检测。因此，亟需设计一种高效率、易集成的多功能太赫兹涡旋处理器。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种太赫兹涡旋处理器的设计方法，本发明的另一目的是提供一种具有自旋复用调制涡旋处理效果的太赫兹涡旋处理器，本发明的再一目的是提供一种太赫兹涡旋处理器在太赫兹涡旋入射波自旋状态、拓扑核数检测中的应用。
技术方案：本发明所述的一种太赫兹涡旋处理器的设计方法，包括以下步骤：
步骤一，确定目标相位调制矩阵
和
得到超构表面的几何相位
和共振相位
矩阵；
步骤二，在电磁场仿真模拟设计中，确定介质柱的高度和周期，设置LCP波入射，然后对长宽进行扫描，得到不同长宽的透射相位矩阵；
步骤三，在透射相位矩阵中筛选结构参数以满足对应的
再旋转角度θ以满足对应的
LCP波和RCP波入射同一结构单元，产生的几何相位
互为正负关系，产生的传播相位
相同，形成自旋复用的相位调制；
步骤四，根据上述设计确定超表面结构参数，进行光刻掩膜板的制备。
进一步地，步骤一中，几何相位
共振相位
是沿着 x方向产生1*4的涡旋阵列，拓扑核分别为±1和±2。
是沿着y方向产生1*4的涡旋阵列，拓扑核分别为±1和±2。
进一步地，步骤二中，介质柱的横截面具有各向异性。介质柱为椭圆形或长方形。
进一步地，步骤三中，在LCP波入射时的总相位为
在RCP波入射时的总相位为
上述太赫兹涡旋处理器的设计方法制得的太赫兹涡旋处理器，包括基板和介质柱，基板上设置介质柱。
进一步地，介质柱在不同阵列位置，具有相同的高度、周期，不同的长度、宽度、旋转角度。
上述太赫兹涡旋处理器在太赫兹涡旋入射波自旋状态、拓扑核数检测中的应用。基于轨道角动量(OAM)模式的模式复用通信可以在频率之外增加模式这样一个全新的自由度，可大大提升太赫兹通信的信道容量。
工作原理：太赫兹涡旋处理器，其结构为介质柱单元阵列形成的超表面。超表面是由人工制备的亚波长结构单元进行周期性的排列而成，能够对入射电磁波的相位、振幅、偏振进行调控。对于左/右旋圆偏振入射相同结构参数和转角的单元，产生的几何相位值互为正负关系，产生的传播相位相同，二者叠加可产生左/右旋圆偏振复用的相位调制效果。针对左/右旋圆偏振波入射分别设计两个独立的相位模板，使其在左/右旋圆偏振波入射时分别产生横向/纵向的一维涡旋阵列。这种自旋复用的相位设计原理可由下式简单表示：
其中，对于左旋圆偏振(LCP)波入射，产生的几何相位和共振相位调制分别定义为
和
则对于右旋圆偏振(RCP)波入射，产生的几何相位和共振相位调制分别
和
因此，我们可以分别在LCP和RCP波入射下独立地设计目标相位
和
进而通过上式推导出所需的
和
由于
与超表面的结构转角呈2倍关系，因此结构单元的转角
而
与结构单元的长宽参数相关，可以通过电磁仿真模拟得到最优化的结构参数。所设计的
为横向一维涡旋阵列相位模板，所设计的
为纵向一维涡旋阵列相位模板。
有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：
1、本发明设计所得太赫兹涡旋处理器具有自旋复用调制的涡旋处理效果，根据入射的左右旋圆偏振波可以实现不同方向的涡旋阵列产生，从而实现自旋角动量(左右旋圆偏振)和轨道角动量(涡旋)的同时产生和检测，以实现多功能的太赫兹涡旋处理；
2、与现有技术中基于聚合物螺旋相位板、设计有V型天线的超表面、拼接不同光轴方向的半波片以及液晶q波片的太赫兹涡旋处理器相对比，可以产生阵列化的涡旋波束，并进行检测，具有高效率、易集成、可产生阵列化涡旋的特点。
附图说明
图1是本发明的侧视图；
图2是本发明的结构单元示意图；
图3是本发明介质超表面的结构单元的出射RCP太赫兹波相位随着长、宽变化的分布图；
图4是本发明介质超表面的结构单元的出射RCP太赫兹波透过率随着长、宽变化的分布图；
图5是本发明太赫兹涡旋处理器在LCP波、RCP波入射时的归一化目标相位分布图，其中，(a)横向一维涡旋阵列相位模板
(b)纵向一维涡旋阵列相位模板
图6是本发明太赫兹涡旋处理器所需的超表面的相位分布图，(a)传播相位
(b)几何相位
图7是本发明太赫兹涡旋处理器在LCP波入射时在1.2THz处的分布图，(a)归一化远场强度分布图，(b)远场相位分布图；
图8是本发明太赫兹涡旋处理器在RCP波入射时在1.2THz处的分布图，(a)归一化远场强度分布图，(b)远场相位分布图；
图9是本发明太赫兹涡旋处理器在不同条件的太赫兹波入射时在1.2THz处的归一化远场强度分布图，(a)入射拓扑核m＝-1的LCP波(b)，入射拓扑核m＝+2的LCP 波，(c)入射拓扑核m＝+1的RCP波；
图10是本发明太赫兹涡旋处理器的制备流程图。
具体实施方式
实施例1
如图1，太赫兹涡旋处理器包括基板1和设置于基板1一侧的介质超表面层，基板 1和设介质超表面层的材料均选用高阻值的本征硅片，因其在太赫兹波段透过率较高且吸收率较低。图1中还标注出了坐标轴方向，基板1和介质超表面层设置于xy平面内，太赫兹波束从z方向垂直入射到该器件中。
如图2，介质超表面层的结构单元为横截面为长方形的硅柱，也可以选为椭圆形等各向异性结构。可通过前期的模拟设计确定超表面结构单元中不同位置的硅柱的长L、宽W、高H、沿着x方向的相对转角参数θ以及结构单元的周期参数P。太赫兹涡旋处理器的结构单元的周期设为75μm，硅柱的高度设为275μm，硅柱的长、宽以及沿着x 方向的相对转角参数根据不同位置所需的传播相位
和几何相位
来确定。
这种器件可实现左/右旋圆偏振(LCP/RCP)复用的相位调制效果。原理如下：对于LCP/RCP波入射同一结构单元，产生的几何相位
互为正负关系，产生的传播相位
相同，二者叠加可产生左/右旋圆偏振复用的相位调制效果。针对LCP/RCP波入射分别设计两个独立的目标相位模板，使其在LCP/RCP波入射时分别产生横向/纵向的一维涡旋阵列。这种自旋复用的相位设计原理可由下式简单表示：
即，对于LCP入射，产生的几何相位和共振相位调制分别为
和
对于RCP入射，产生的几何相位和共振相位调制分别
和
因此，我们可以分别在LCP和RCP入射下独立地设计目标相位
和
进而通过式(1)推导出所需的
和
由于
与超表面的结构转角呈2倍关系，因此结构单元的转角
而
与结构单元的长宽参数相关，可以通过电磁仿真模拟得到最优化的结构参数。
如图3，在电磁场仿真模拟设计中，首先确定介质柱2的高度参数和周期参数，设置LCP波入射，然后对长宽参数进行扫描，得到不同长宽参数的透射相位矩阵。其中，介质柱2高度设置为275μm，结构单元周期设置为75μm，硅柱长度和宽度的扫描范围均从10μm变化到67μm，设计频率为1.2THz。在此透射相位矩阵中，通过筛选合适的结构参数以满足对应的
再旋转一定角度θ以满足对应的
从而在LCP波入射时的总相位为
而在RCP波入射时的总相位为
形成自旋复用的相位调制。
此外，在模拟设计中，出于对调制效率的考虑，需要剔除效率较低的一些结构参数。如图4所示是本发明实施例提供的一种介质超表面的结构单元(介质柱2高275μm，结构单元周期75μm)的出射RCP太赫兹波透过率随着长(从10μm变化到67μm)和宽 (从10μm变化到67μm)参数变化的分布图，频率为1.2THz。图4的所有参数条件与图3对应，仅把模拟导出的相位变成了效率。可以看到，效率较高的参数集中在沿着长＝宽的两侧，并呈镜像关系，在设计中，设置效率阈值为0.7，即，仅考虑效率大于0.7 的结构单元。
为了实现在LCP波入射下横向的一维涡旋阵列产生，以及在RCP波入射下纵向的一维涡旋阵列产生，需要设计两个独立的相位模板，分别在LCP波和RCP入射下形成独立的相位调制。设计
所使用的相位公式为：
其中，x为x方向上的坐标，λ是入射波的波长，α1＝5°和α2＝13°分别是两个波束偏转角， m1＝1和m2＝2分别是两个不同的拓扑核。公式中的每一个
可以产生以α1或α2的角度倾斜出射并且携带拓扑核是m1或m2的涡旋相位。
以棋盘格的形式将
(i＝1-4)叠加在一起，如图5(a)所示。其功能是沿着x方向产生1*4的涡旋阵列，拓扑核分别为±1和±2。
设计
所使用的相位公式为：
其中，y为y方向上的坐标。公式(3)与公式(2)唯一的不同是将x换成了y，使涡旋阵列产生在y轴上。
以棋盘格的形式将
叠加在一起，如图5(b)所示。其功能是沿着y方向产生1*4的涡旋阵列，拓扑核分别为±1和±2。
有了目标相位模板
和
可以通过矩阵运算得到对应所需的传播相位
和几何相位
图6是太赫兹涡旋处理器所需的传播相位
(a)和几何相位
分布图。
如图7，通过数值仿真模拟了太赫兹波入射这两个相位模板后的远场衍射情况。在LCP入射时，超表面的相位调制为
在1.2THz处的归一化远场强度分布图(a)和远场相位分布图(b)。在强度分布图中可以观察到沿着x轴方向的1*4涡旋阵列，强度上表现出环状光斑，从相位图中可以分析出这四个环分别对应的拓扑核数，最左侧的环中心对应的相位在逆时针方向旋转了两个2π，因此其拓扑核是+2，左侧起第二个环中心对应的相位在逆时针方向旋转了一个2π，因此其拓扑核是+1，同理可推出右侧两个环对应的拓扑核分别是-1和-2，整体衍射效果与设计保持一致。如图8，在RCP入射时，超表面的相位调制为
在1.2THz处的归一化远场强度分布图(a)和远场相位分布图(b)所示。在强度分布图中可以观察到沿着y轴方向的1*4涡旋阵列，从相位分布图中可判断从上到下依次的拓扑核分别为-2，-2，+1和+2，整体衍射效果与设计保持一致。
实施例2
在实际应用中，有必要对产生的太赫兹涡旋光束的拓扑核进行表征。一种简单的方法是利用相反拓扑核的涡旋光束入射到涡旋相位板上，在远场可以恢复成高斯光斑。例如对于实施例1中的太赫兹涡旋阵列产生器，若在拓扑核m＝-1的LCP波入射时，由于横向第二个级次上的拓扑核m＝+1，因此理论上可将该级次还原为高斯光斑，从而实现太赫兹涡旋波束拓扑核的检测。
我们通过数值仿真模拟了携带不同拓扑核的太赫兹波入射太赫兹涡旋处理器的远场衍射情况，如图9所示。当入射拓扑核m＝-1的LCP波时，横向第二个级次呈现出明亮的光斑，从而可以确定入射的是拓扑核m＝-1的LCP波；当入射拓扑核m＝+2的LCP 波时，横向第四个级次呈现出明亮的光斑，从而可以确定入射的是拓扑核m＝+2的LCP 波；当入射拓扑核m＝+1的RCP波时，纵向第二个级次呈现出明亮的光斑，从而可以确定入射的是拓扑核m＝+1的RCP波。
因此，该器件可以实现入射波自旋状态(LCP/RCP)以及拓扑核数的同时检测：若出现横向阵列，则可判断入射的是LCP波，若出现纵向阵列，则可判断入射的是RCP 波，若同时出现横向和纵向阵列，则可判断入射的是线偏振波或者椭圆偏振波；通过观察高斯光斑出现在哪一个级次上，可以判断出入射涡旋波束的拓扑核数。
实施例3
如图10，一种太赫兹涡旋处理器的制备方法，包括如下步骤：
步骤一，提供硅基板1，利用超声清洗或氧等离子体清洗处理基板1；
步骤二，在硅基板1上旋涂光刻胶3层并进行烘烤；
步骤三，根据设计方法制备光刻掩膜板，利用光刻掩膜板对光刻胶3层进行紫外曝光光刻，形成具有不同结构参数和取向的柱状阵列图形，对光刻胶3层进行显影；
步骤四，对被光刻胶3层覆盖的硅基板1进行反应离子刻蚀，形成具有不同结构参数和取向的硅介质柱2阵列；
步骤五，利用丙酮清洗把残余光刻胶3洗去。
步骤一中，利用超声清洗或氧等离子体清洗处理基板1的步骤包括：将基板1用乙醇超声清洗10分钟，然后用超纯水超声清洗两次，每次5分钟，再在110℃的烘箱中烘干25分钟，最后进行氧等离子体清洗50分钟。
该太赫兹涡旋处理器可应用于太赫兹模式复用通信系统中，对于大容量并行的涡旋波束产生与检测具有重要的实际意义。
Claims (10)
1.一种太赫兹涡旋处理器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，确定目标相位调制矩阵
和
得到超构表面的几何相位
和共振相位
矩阵；
步骤二，在电磁场仿真模拟设计中，确定介质柱(2)的高度和周期，设置LCP波入射，然后对长宽进行扫描，得到不同长宽的透射相位矩阵；
步骤三，在透射相位矩阵中筛选结构参数以满足对应的
再旋转角度θ以满足对应的
LCP波和RCP波入射同一结构单元，产生的几何相位
互为正负关系，产生的传播相位
相同，形成自旋复用的相位调制；
步骤四，根据上述设计确定超表面结构参数，进行光刻掩膜板的制备。
2.根据权利要求1所述的一种太赫兹涡旋处理器的设计方法，其特征在于：所述步骤一中，几何相位
共振相位
3.根据权利要求1所述的一种太赫兹涡旋处理器的设计方法，其特征在于：所述步骤一中，
是沿着x方向产生1*4的涡旋阵列，拓扑核分别为±1和±2。
4.根据权利要求1所述的一种太赫兹涡旋处理器的设计方法，其特征在于：所述步骤一中，
是沿着y方向产生1*4的涡旋阵列，拓扑核分别为±1和±2。
5.根据权利要求1所述的一种太赫兹涡旋处理器的设计方法，其特征在于：所述步骤二中，介质柱(2)的横截面具有各向异性。
6.根据权利要求1所述的一种太赫兹涡旋处理器的设计方法，其特征在于：所述步骤二中，介质柱(2)为椭圆形或长方形。
7.根据权利要求1所述的一种太赫兹涡旋处理器的设计方法，其特征在于：所述步骤三中，在LCP波入射时的总相位为
在RCP波入射时的总相位为
8.根据权利要求1～7任一所述的一种太赫兹涡旋处理器的设计方法制得的太赫兹涡旋处理器，其特征在于：包括基板(1)和介质柱(2)，所述基板(1)上设置介质柱(2)。
9.根据权利要求8所述的太赫兹涡旋处理器，其特征在于：所述介质柱(2)在不同阵列位置，具有相同的高度、周期，不同的长度、宽度、旋转角度。
10.根据权利要求8或9所述的太赫兹涡旋处理器在太赫兹涡旋入射波自旋状态、拓扑核数检测中的应用。
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- 2021-06-04 CN CN202110628475.5A patent/CN113378372B/zh active Active
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