CN113391379A - 太赫兹调控器件及制备方法、矢量光束生成器及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太赫兹调控器件及制备方法、矢量光束生成器及设计方法，该太赫兹调控器件包含了三层金属超构表面及两层介质层，其中第一超构层与第二超构层是互相垂直的光栅，第一超构层与第二超构层之间设置有天线层。通过构建太赫兹调控器件的模型，通过模拟结果，可以得到多个具有不同几何参数的基本太赫兹调控器件，多个基本太赫兹调控器件周期性排列，组成了太赫兹矢量光束生成器件，该太赫兹矢量光束生成器件工作于透射模式下，满足了在探测和应用过程中对不同偏振光束的需求，使得探测和应用更加方便简单。

Description

太赫兹调控器件及制备方法、矢量光束生成器及设计方法

技术领域

本发明涉及太赫兹光学器件领域，特别是涉及一种太赫兹调控器件及制备方法、矢量光束生成器及设计方法。

背景技术

太赫兹是在电磁波谱中介于红外和微波之间的电磁辐射，由于其独特的性质，在国防安全，无损检测，无线通讯等领域具有重要的应用价值。但是相对于太赫兹源和探测器，太赫兹功能器件的发展相对缓慢。这是由于自然界中缺少与太赫兹高效相互作用的材料。

现有的超构表面结构大部分为单层或双层结构。单层结构的超构表面结构在探测过程中只能使用反射模式，仅能对反射的+-1级次的衍射光的相位或偏振态进行独立调控；双层超构表面结构同样也是只能进行偏振转化，不能对电磁波的偏振态和相位进行同时调制。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种太赫兹调控器件及制备方法、矢量光束生成器及设计方法，从而满足同时调控太赫兹电磁波的相位和偏振态的要求，以透射模式取代传统的反射模式，解决了探测困难的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种太赫兹调控器件，包括三层超构表面及两层介质层；所述三层超构表面包括相对设置的第一超构层和第二超构层，及设置在所述第一超构层与第二超构层之间的天线层；所述第一超构层与天线层之间和所述天线层与所述第二超构层之间分别设置一介质层；第一超构层与第二超构层是相互垂直的光栅；所述天线层设置有开口天线。

可选的，所述天线层包括C形、V形、L形或棒状的开口天线。

可选的，所述介质层的材料为太赫兹可穿透的介质材料。

可选的，所述第一超构层的光栅与x轴的夹角为θ，所述第二超构层的光栅与x轴的夹角为θ-90°，所述天线层的对称轴与x轴的夹角为θ-45°；

所述x轴所在坐标系为以所述三层超构表面的中心为原点，以经过所述原点且平行于所述三层超构表面的横向边的线为x轴建立的直角坐标系。

本发明还提供了一种太赫兹矢量光束生成器，包括若干周期性排列的太赫兹调控器件；

每一个所述太赫兹调控器件包括三层超构表面及两层介质层；所述三层超构表面包括相对设置的的第一超构层和第二超构层，及设置在所述第一超构层与第二超构层之间的天线层；所述第一超构层与天线层之间和天线层与第二超构层之间分别设置有介质层；第一超构层与第二超构层是相互垂直的光栅；

若干所述太赫兹调控器件中包含至少一种天线层。

可选的，所述天线层包括C形、V形、L形或棒状的开口天线。

本发明还提供了一种太赫兹矢量光束生成器的设计方法，具体包括：

按照上述要求构建太赫兹矢量光束生成器模型；

设定所述太赫兹矢量光束生成器模型的工作中心频率及入射光的频率范围；

通过监视器获得透过所述太赫兹矢量光束生成器件模型的光场信息并进行数据分析，获取所述太赫兹矢量光束生成器件模型的几何参数；

改变天线层的天线的开口角度，获取出射偏振光的振幅和相位随开口角度的变化曲线；

根据所述出射偏振光的振幅和相位随开口角度的变化曲线，对出射偏振光的相位进行n阶量化，得到n种相位的出射偏振光；根据n种相位的出射偏振光，进行数据分析，获取n种相位的出射偏振光对应的天线层的开口天线的几何参数；

按照获得的所述太赫兹矢量光束生成器模型的几何参数及所述天线层的开口天线的几何参数，确定目标太赫兹矢量光束生成器件。

可选的，所述太赫兹矢量光束生成器模型的工作中心频率为0.38THz，所述入射光的频率范围为0.1-0.7THz。

本发明还提供了一种太赫兹调控器件的制备方法，具体步骤为：

以高阻硅为基底，将光栅材料通过紫外光刻、蒸镀和剥离过程制备在所述基底上的第一超构层；

在所述第一超构层上重复旋涂第一介质层；

在所述第一介质层上，以第一超构层为基准进行对准、套刻，将天线材料通过紫外光刻、蒸镀和剥离过程制备在第一介质层上的天线层；

在所述天线层上重复旋涂第二介质层；

在所述第二介质层上，以天线层为基准进行对准、套刻，将光栅材料通过紫外光刻、蒸镀和剥离过程制备在第二介质层上的第二超构层。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种太赫兹调控器件，包括三层超构表面和两层介质层，其中第一超构层和第二超构层是互相垂直的光栅结构，调整光栅夹角，可以实现对出射偏振光的偏振态的调制，第一超构层与第二超构层之间设置有天线层，调整天线层设置的开口天线的开口角度，可以实现对出射偏振光的相位的调制。因此，通过调整超构层光栅的夹角及天线层的开口天线的开口角度，就可以获得拥有不同几何参数的基本太赫兹调控器件，从而生成高效率的相位和偏振态可同时调控的调控器件。若干个基本太赫兹调控器件进行周期性排列，可以获得生成目标矢量光束的太赫兹矢量光束生成器。该太赫兹矢量光束生成器工作于透射模式下，满足了在探测和应用过程中对不同偏振光束的需求，使得探测和应用更加方便简单。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的太赫兹调控器件的基本结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的太赫兹调控器件的俯视图；

图3为本发明实施例1提供的太赫兹调控器件的第一超构层的结构图；

图4为本发明实施例1提供的太赫兹调控器件的天线层的结构图；

图5为本发明实施例1提供的太赫兹调控器件的第二超构层的结构图；

图6为本发明实施例3提供的太赫兹调控器件的FDTD模拟所得模型的透射谱；

图7为本发明实施例3提供的太赫兹调控器件的FDTD模拟所得模型的Y偏振光的振幅随开口天线的开口角度的变化曲线；

图8为本发明实施例3提供的太赫兹调控器件的FDTD模拟所得模型的Y偏振光的相位随开口天线的开口角度的变化曲线；

图9为本发明实施例4提供的两种太赫兹矢量光束生成器件的功能示意图；

图10为本发明实施例4提供的一种太赫兹矢量光束生成器件的相位调制分布图；

图11为本发明实施例4提供的另一种太赫兹矢量光束生成器件的相位调制分布图；

图12为本发明实施例4提供的太赫兹调控器件的透过率实验结果。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是为了提供一种基于三层超构表面的太赫兹高效光学器件，以满足同时调控电磁波的相位和偏振的要求。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图1所示，本发明设计了一种太赫兹调控器件，该器件包括三层金属超构表面和两层介质层，三层超构表面包括相对设置的的第一超构层1和第二超构层2，及设置在第一超构层1与第二超构层2之间的天线层3；第一超构层1与天线层3之间和天线层3与第二超构层2之间分别设置有介质层4、5。介质层4、5为聚酰亚胺材料或其他可透过太赫兹波的材料，每层介质层的厚度均为40μm，三层金属超构表面均为金材料制备而成，每层的厚度为100nm。

每个太赫兹调控器均为结构周期为p的正方形结构，第一超构层1和第二超构层2为相互垂直的金光栅结构，光栅宽度为a，光栅周期为b。如图2-5所示，以三层超构表面的中心为原点，以经过原点且平行于三层超构表面的横向边的线为x轴建立的直角坐标系，第一超构层1的金光栅与x轴之间的夹角为θ，则第二超构层2的金光栅与x轴夹角为θ-90°，天线层3为C形开口金天线，其外半径和内半径分别为R和r，开口角度为2α，C形开口金天线的对称轴与x轴之间的夹角为θ-45°。

当一束圆偏振光由上至下垂直入射到该太赫兹调控器件上时，由于光栅结构的偏振滤波效果，第一超构层1的金光栅只允许偏振角度为θ-90°的线偏振光透过。透过的第一超构层1的线偏振光经过介质层4后，入射到天线层3的C形开口金天线上。由于入射天线层3的光的偏振角为θ-90°，与C形开口金天线对称轴之间的夹角为45°，所以该入射光所激发的对称模式和反对称模式的辐射场的振幅相等。通过调整C形开口金天线的开口角度，可使入射进入天线层3的入射光所激发的对称模式和反对称模式的辐射场相位相差为π，此时，光线经过天线层3后，偏振角度旋转90°，形成偏振角度为θ的偏振光，恰好可以透射经过第二超构层2的金光栅。

因此，由上述可知，只需要调整每个太赫兹调控器件的第一超构层1的金光栅与x轴之间的夹角θ，就可以实现对每个太赫兹调控器件对出射偏振光偏振态的独立调控。此外，入射光经过天线层3时，调整开口天线的开口角度2α，即可使得出射偏振光携带不同的相位调制。可见，在圆偏振光入射的条件下，通过调整每个太赫兹调控器件的几何参数θ和2α，就可以实现每个太赫兹调控器件对出射偏振光的相位和偏振态的调制。最终通过将多个该太赫兹调控器件周期性排列组成太赫兹矢量光束生成器件，即可得到满足目标条件的矢量光束，从而生成高效率的相位和偏振态可同时调控的调控器件。

实施例2

本发明还提供了一种太赫兹调控器件的制备方法，其中使用到了紫外光刻、蒸镀、剥离等技术。

首选以500μm的高阻硅为基底，对金材料进行紫外光刻、蒸镀及剥离过程，制备获得第一超构层1。在第一超构层1上反复多次旋涂热胶状的聚酰亚胺，生成40μm厚的介质层4。之后以第一超构层1为基准进行对准、套刻，对金材料进行紫外光刻、蒸镀及剥离过程在介质层上制备天线层3的开口天线。在获得天线层3上反复多次旋涂热胶状的聚酰亚胺，生成40μm厚的另一介质层5。在所获得另一介质层5上，以天线层3为基准进行对准、套刻，对金材料进行紫外光刻、蒸镀及剥离过程在该介质层上制备第二超构层2。

实施例3

本发明实施例2提供了一种太赫兹矢量光束生成器的设计方法，其中太赫兹矢量光束生成器由若干个实施例1所提供的太赫兹调控器件组合而成，其具体设计方法如下：

通过FDTD Solutions软件构建太赫兹矢量光束生成器模型。

设定太赫兹矢量光束生成器件模型的工作中心频率为0.38THz，及入射光为频率范围为0.1-0.7THz。

通过监视器获得透过太赫兹矢量光束生成器件模型结构的光场信息并进行数据分析，确定所述太赫兹高效光学器件模型参数。

最终确定每个太赫兹调控器件的结构周期为p＝200μm，每一层介质层的厚度均为40μm，第一超构层、第二超构层及天线层的厚度均为100nm，第一超构层和第二超构层的光栅的宽度为a＝10μm，光栅周期b＝20μm，天线层的C形开口金天线的外半径R＝85μm，内半径r＝75μm。

根据上述所得几何参数来设置太赫兹调控器件，并设置天线层的C形开口金天线的开口角度2α为90°，θ为90°，通过模拟得到具有上述几何参数结构的太赫兹调控器件的透射谱，如图6所示。不难发现入射的X偏振光透过率约为0.02左右。在频率为0.38时，偏振角度为90°的出射的Y偏振光透过率为0.98左右，模拟结果表明在所设计的0.38THz的工作中心频率处，该太赫兹调控器件可以实现对具有预设偏振角的出射的Y偏振光具有较高的透过率。

改变天线层的C形开口金天线的开口角度，观察出射的Y偏振光的振幅和相位随开口角度的变化，获取出射的Y偏振光的振幅和相位随开口角度的变化曲线。

如图7、8所示，改变天线层的C形开口金天线的开口角度，所得的模型结构的出射的Y偏振光的振幅变化可以保持在0.77-1之间，其相位变化可以保持在211°-44°，从而表明通过改变天线的开口角度，就能达到对出射的偏振光的高效相位调制。

对出射偏振光的相位进行n阶量化，得到n种相位的出射的Y偏振光，根据n种相位的出射的Y偏振光，进行数据分析，获取n种相位的出射的Y偏振光对应的天线层的开口天线的几何参数。

选择合适的C形开口金天线的开口角度，在保证器件质量的前提下，为了实现出射光的0-360°范围内的相位调制，对出射光的相位进行n阶量化。优先选择8阶量化，也就是选择8个开口角度合适的C形开口金天线。出射的Y偏振光的相位调制每隔45°变化一次，即0、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°。如表1所示，通过多次实验发现，在保持C形开口金天线开口角度不变的情况下，相位为0、45°、90°、135°的出射的Y偏振光所对应的4个C形开口金天线绕原点旋转90°，就可以得到相位为180°、225°、270°、315°的出射偏振光所对应的C形开口金天线。

表1.FDTD模拟找到的8个基本相位调制的C形开口天线的几何参数以及对应的调制结果

实施例4

图9为本发明实施例4两种太赫兹矢量光束生成器的功能示意图。通过实施例3的模拟结果，本发明得到了8种几何参数的基本太赫兹调控器件，通过将这8种太赫兹基本调控器件进行周期性排列组合，可以组成目标太赫兹矢量光束生成器，每个太赫兹矢量光束生成器由100*100个基本太赫兹调控器件组成，100*100个基本太赫兹调控器件中至少包含8种的基本太赫兹调控器件的一种，其具体的功能结构如图9所示。

第一种太赫兹矢量光束生成器在左圆偏振光的入射的条件下，出射偏振光产生角向偏振的聚焦光斑，该矢量光束生成器对出射偏振光的相位调制分布如图10所示，为焦距为10mm的透镜相位，其对出射偏振光的偏振调制即为角向偏振分布。

第二个矢量光束生成器在左圆偏振光的入射的条件下，出射偏振光产生径向偏振的聚焦的涡旋光束，其携带拓扑荷数为+1；该矢量光束生成器件对出射偏振光的相位调制分布如图11所示，为焦距为10mm的透镜相位和拓扑荷数为+1的涡旋光相位的叠加，其对出射偏振光的偏振调制即为径向偏振分布。

利用Matlab软件对这两种太赫兹矢量光束生成器进行设计，并计算得到了相应的模拟光场分布结果，并利用太赫兹焦平面成像系统对两种太赫兹矢量光束生成器件分别进行表征。

实验结果表明：第一种太赫兹矢量光束生成器所产生的光斑的振幅和相位分布符合角向偏振聚焦光斑的分布，且实验结果和模拟结果相吻合，这说明实验中成功地生成了想要的角向偏振分布的矢量光束。同时，通过实验产生的第二种太赫兹矢量光束生成器的径向偏振的涡旋光束和模拟结果也是基本吻合，在相位上可以看到相位奇点，说明第二种太赫兹矢量光束生成器可以作为太赫兹矢量光束生成器并携带相应的信息。

为了验证上述太赫兹矢量光束生成器的高效性能，通过实验测量了本发明所提供的太赫兹调控器件的透过率，其结果如图12所示。实验结果中，在0.3816THz处，透过率达到最大值1，与图6的模拟所得的透射谱想对比，实验结果基本和模拟结果中的太赫兹调控器件透过率相吻合，可见在设计的工作中心频率处，该太赫兹调控器件确实可以实现较高的透射率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种太赫兹调控器件，其特征在于，所述太赫兹调控器件包括三层超构表面及两层介质层；所述三层超构表面包括相对设置的的第一超构层和第二超构层，及设置在所述第一超构层与第二超构层之间的天线层；所述第一超构层与天线层之间和天线层与第二超构层之间分别设置一介质层；第一超构层与第二超构层是相互垂直的光栅；所述天线层设置有开口天线。

2.根据权利要求1所述的一种太赫兹调控器件，其特征在于，所述天线层包括C形、V形、L形或棒状的开口天线。

3.根据权利要求1所述的一种太赫兹调控器件，其特征在于，所述介质层的材料为太赫兹可穿透的介质材料。

4.根据权利要求1所述的一种太赫兹调控器件，其特征在于，所述第一超构层的光栅与x轴的夹角为θ，所述第二超构层的光栅与x轴的夹角为θ-90°，所述天线层的对称轴与x轴的夹角为θ-45°；

所述x轴所在坐标系为以所述三层超构表面的中心为原点，以经过所述原点且平行于所述三层超构表面的横向边的线为x轴建立的直角坐标系。

5.一种太赫兹矢量光束生成器，其特征在于，

所述太赫兹矢量光束生成器包括若干周期性排列的太赫兹调控器件；

每一个所述太赫兹调控器件包括三层超构表面及两层介质层；所述三层超构表面包括相对设置的的第一超构层和第二超构层，及设置在所述第一超构层与第二超构层之间的天线层；所述第一超构层与天线层之间和天线层与第二超构层之间分别设置有介质层；第一超构层与第二超构层是相互垂直的光栅；

若干所述太赫兹调控器件中包含至少一种天线层。

6.根据权利要求5所述的一种太赫兹矢量光束生成器，其特征在于，所述天线层包括C形、V形、L形或棒状的开口天线。

7.一种太赫兹矢量光束生成器的设计方法，其特征在于，具体包括：

按照权利要求5所述的太赫兹矢量光束生成器构建太赫兹矢量光束生成器模型；

设定所述太赫兹矢量光束生成器模型的工作中心频率及入射光的频率范围；

通过监视器获得透过所述太赫兹矢量光束生成器件模型的光场信息并进行数据分析，获取所述太赫兹矢量光束生成器件模型的几何参数；

改变天线层的天线的开口角度，获取出射偏振光的振幅和相位随开口角度的变化曲线；

根据所述出射偏振光的振幅和相位随开口角度的变化曲线，对出射偏振光的相位进行n阶量化，得到n种相位的出射偏振光；根据n种相位的出射偏振光，进行数据分析，获取n种相位的出射偏振光对应的天线层的开口天线的几何参数；

按照获得的所述太赫兹矢量光束生成器模型的几何参数及所述天线层的开口天线的几何参数，确定目标太赫兹矢量光束生成器。

8.根据权利要求6所述的一种太赫兹矢量光束生成器的设计方法，其特征在于，所述太赫兹矢量光束生成器模型的工作中心频率为0.38THz，所述入射光的频率范围为0.1-0.7THz。

9.一种太赫兹调控器件的制备方法，其特征在于，具体步骤为：

以高阻硅为基底，将光栅材料通过紫外光刻、蒸镀和剥离过程制备在所述基底上的第一超构层；

在所述第一超构层上重复旋涂第一介质层；

在所述第一介质层上，以第一超构层为基准进行对准、套刻，将天线材料通过紫外光刻、蒸镀和剥离过程制备在第一介质层上的天线层；

在所述天线层上重复旋涂第二介质层；

在所述第二介质层上，以天线层为基准进行对准、套刻，将光栅材料通过紫外光刻、蒸镀和剥离过程制备在第二介质层上的第二超构层。

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