CN113655675A - 一种基于二氧化钒的实现智能化光控可编程超表面的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于二氧化钒的实现智能化光控可编程超表面的方法，包括空间光调制器、组合透镜和可编程超表面三部分。其中可编程超表面分为上、中、下三层，下层为金属反射层，中间层为介质基底，上层为矩形开口谐振环，其开口处由相变材料二氧化钒填充，周期排列在介质基底上。本发明通过计算机控制的空间光调制器产生合适的衍射斑图案，设计合适的光路使得衍射图案投射到可编程超表面二氧化钒相变材料上，衍射斑照到的结构单元二氧化钒发生相变，为编码“1”，未照到的编码“0”，即利用实时编码的衍射光斑实现超表面的实时编码。编码超表面技术在无线光电融合、电磁场调控、新型电磁器件设计、无线通信等领域具有广阔的应用前景。

Description

一种基于二氧化钒的实现智能化光控可编程超表面的方法
技术领域
本发明属于电磁调控领域，涉及一种基于二氧化钒的实现智能化光控可编程超表面的方法，可以实现太赫兹波段电磁波的高效调控。
背景技术
超材料是指具有特殊超常物理性质的人造材料，是由亚波长尺度的结构单元在空间中周期或非周期排列而成，具有天然材料所不具备的奇异特性，如负介电常数和磁导率、负折射率等，目前已被广泛地应用于隐身材料、超透镜等领域。二维的超材料即电磁超表面利用单元结构引起的相位突变产生异常的透射和反射，从而控制电磁波的传播。与厚重的体超材料相比超表面通常只有亚波长厚度，可通过光刻、压印等方式实现，工作响应波段也可顺利拓展到太赫兹、红外甚至可见光波段，极大地增强了人们对电磁波的调控能力。
二氧化钒作为一种典型相变材料在电磁材料领域引起了广泛关注。二氧化钒相变温度为Tc=68℃，在Tc以下具有与单斜晶体相类似的结构，呈绝缘态；在Tc以上晶体结构变为金红石四方相结构，同时电导率呈几个数量级的增加，表现出金属导电态，较低的相变温度为氧化钒的广泛应用提供了可能。更重要的是，这种相变可以通过电调控、热调控和光调控等多个手段实现。因此二氧化钒在动态超材料领域具有极高的研究价值和应用潜力。
作为超表面研究的一个重要分支，动态超表面能在外部信号控制下实现对电磁波的动态调控，展现出更为强大的调控能力和广阔的应用前景。2014年，东南大学的崔铁军教授课题组创造性地提出了数字编码超表面（Coding Metasurface）的新概念，将固定的基本单元与可调器件（如二极管、MEMS等）相结合，通过改变可调器件的工作状态实现相位响应差异。一种常见的模式是在数字编码单元中引入针状二极管颗粒，通过控制偏压获得“ON”和“OFF”两种状态，分别对应编码“0”和编码“1”。与现场可编程逻辑门阵列（FPGA）相结合，外围控制电路可以根据编好的程序实时对阵列中的每个单元进行编码，从而实现对电磁波更加灵活、智能的调控。值得注意的是，目前的可编程超材料多采用有线电控的方式操作，需要大量的导线和复杂的外部电路来驱动，除了增加系统的体积也会存在直流信号和微波信号相互干扰的问题，如何利用超表面灵活高效地调控太赫兹电磁波仍然亟待解决。
发明内容
基于上述技术问题，本发明设计了一种基于二氧化钒的实现智能化光控可编程超表面的方法，通过计算机实时编码的衍射光斑实现超表面的实时编码，从而实现对太赫兹波段电磁波全面、灵活的调控。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：本发明提供一种基于二氧化钒的可编程超表面，其中可编程超表面分为上、中、下三层，下层为金属反射层，中间层为介质基底，上层为矩形开口谐振环，其开口处由相变材料二氧化钒填充，周期排列在介质基底上。通过计算机编码衍射光斑实现超表面的不同编码形式来实现太赫兹电磁波的调控。
优选地，所述金属反射层的材料为铝。
优选地，所述金属反射层的厚度为4μm -6μm。
优选地，所述介质基底的材料为聚酰亚胺。
优选地，所述介质基底材料的厚度为 15μm -20μm。
优选地，所述矩形开口谐振环的材料为铝，开口处的填充材料为二氧化钒。
优选地，所述矩形开口谐振环的厚度为 4μm -6μm，外长为50μm -70μm，外宽为30μm -50μm，内长为30μm -50μm，内宽为10μm -30μm，开口的长度为12μm -18μm。
本发明还提出一种基于二氧化钒的实现智能化光控可编程超表面的方法，结构包括空间光调制器、组合透镜和可编程超表面三部分，所述空间光调制器外接计算机，通过计算机控制空间光调制器产生合适的衍射斑图案，设计合适的光路使得衍射图案投射到可编程超表面各个单元的二氧化钒相变材料上，衍射斑照到的结构单元二氧化钒发生相变，用于实现编码“1”，未照到的单元用于实现编码“0”， 利用实时编码的衍射光斑实现超表面的实时编码，从而实现太赫兹波段电磁波的高效调控。所述组合透镜为凹凸透镜的组合，需要根据实际情况设计，目的是使入射激光发散开并能准确入射到超表面上的二氧化钒的位置。
优选的，对所述可编程超表面的调控方式为光控。
特别的，所述计算机编码的衍射光斑照射到的单元结构记为“ON”态，可用于实现编码“1”，未照到的单元记为“OFF”态，可用于实现编码“0”，二者的相位差为180°。
在上述方案的基础上，通过对超表面尺寸的优化以及采用不同的编码方式实现一种在太赫兹波段对电磁波灵活高效调控的可编程超表面。
相较于其他相关器件，本发明利用二氧化钒的光致相变特性实现器件的光学调控，利用激光控制二氧化钒从绝缘态到金属态的相变，从而实现可编程超表面的灵活、高效的实时编码，并能够应用于太赫兹波段。同时无线光控的模式相比有线电控具有微型化、轻量化的优点，有望为未来无线光电融合器件和太赫兹通信系统的发展提供新的科学依据和技术支持。
本发明最大的特点体现在光控超表面的结构固定，通过计算机编码衍射光斑即可实现超表面的不同编码形式来实现太赫兹电磁波的调控，而不必对所需要的不同调控功能开发不同的器件，具有低成本、便捷、高效、灵活的特点，对相关功能的实现及相关器件的开发具有重要参考和指导意义。
附图说明
图1为本发明的工作原理示意图；
图2为本发明的光控可编程超表面结构示意图；
图3为本发明的空间光调制器产生衍射光斑示意图；
图4激光控制实现编程的原理图；
图5本发明的样品测试示意图；
图6为本发明实施例的光控可编程超表面的单元结构示意图；
图7为本发明实施例的光控可编程超表面的单元结构俯视图；
图8为本发明实施例的光控可编程超表面的单元结构左视图；
图9为本发明实施例第一种实施方式的光控可编程超表面的单元结构在周期条件下的透射率和相位关系图；
图10为本发明实施例的光控可编程超表面的其中一种排列方式得到的反射信号示意图；
图11为本发明实施例的光控可编程超表面的另一种排列方式得到的反射信号示意图；
图12为本发明实施例第二种实施方式光控可编程超表面的单元结构在周期条件下的透射率和相位关系图；
图13为本发明实施例第三种实施方式光控可编程超表面的单元结构在周期条件下的透射率和相位关系图。
具体实施方式
为了使本技术领域的技术人员能深入了解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行进一步说明。注意，下面将具体描述的技术方案及结果仅代表本发明的相关实施例，对于本领域的相关技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，可以依据这些附图获得其他结果，并获得其他的实施方式。
接下来以具体实施方案及实施例结合附图对本发明作进一步说明：
图1是本发明的工作机理的直观展示。本发明了设计一种基于二氧化钒的可编程超表面，可分为两部分，一部分是基于二氧化钒的人工电磁超表面，另一部分是由空间光调制器（Spatial Light Modulator，SLM）、组合透镜及计算机组成的控制系统。通过计算机实时编码的衍射光斑实现超表面的实时编码，从而实现对太赫兹波段电磁波全面、灵活的调控。
图2为本发明的光控可编程超表面结构示意图，本发明对目标超表面进行编程的核心是形成实时编码的衍射光斑阵列，并利用其控制结构单元中二氧化钒的相变。本发明通过计算机控制的空间光调制器产生全息干涉图案，在入射激光照射下根据需求产生重构的光斑阵列图案，并可通过CCD进行观察，如图3所示。当通过上述操作得到所需要的衍射光斑阵列后，通过组合透镜使得衍射光斑刚好投射到结构单元中的二氧化钒粒子上，相变材料在吸收光能量达到特定温度阈值后可从绝缘态转变为金属态，对激光强度、出射方向等进行设计控制二氧化钒的光致相变过程，衍射斑照到的结构单元二氧化钒发生相变，则该单元结构为“ON”状态，记为编码“1”；未照到的单元结构为“OFF”状态，记为编码“0”，如图4所示。“ON”状态和“OFF“状态之间可以相互转换，二者的相位差为180°。空间光调制器产生的光斑图案可以实时控制超表面的编码状态，最终实现不同的电磁调控功能。
图5为本发明的样品测试示意图。空间光调制器产生目标光斑图案照射到样品表面，利用太赫兹发射器发射信号，接收器测量样品表面的反射电磁信号，对反射电磁信号进行分析可以得到光控可编程超表面对电磁波的调控效果。
接下来将对光控可编程超表面进行详细说明。
本发明设计的基于二氧化钒的可编程光控超表面分为上、中、下三层，下层为金属反射层，中间层为介质基底，上层为矩形开口谐振环，其开口处由相变材料二氧化钒填充，周期排列在介质基底上。在加工的过程中，上、中、下三层材料之间本身会产生一个附着力将层与层之间连接起来。通过计算机编码衍射光斑实现超表面的不同编码形式来实现太赫兹电磁波的调控。
图6为预设方案的单元结构示意图，单元结构在X,Y方向周期排列。
图7为预设方案的单元结构俯视图，图8为预设方案的单元结构左视图。图7和图8中的1，2，3，4分别代表金属反射层，介质基底层，矩形开口谐振环及填充矩形开口谐振环开口处的二氧化钒。
图7中的P代表单元结构沿X和Y方向的周期，L和W代表矩形开口谐振环的外长和外宽，L1和W1代表其内长和内宽，S代表二氧化钒结构的长度。图8中的h0，h1,h2分别代表金属反射层，基底层及矩形开口谐振环（二氧化钒）的厚度。
本发明通过电磁仿真软件CST进行模拟，并对其进行优化。选取入射波的方向为Z轴正方向，偏振方向为Y方向，主要观测指标为反射波的强度及反射方向。
本发明经电磁仿真软件CST优化得到的第一种实施方式为：P=100μm，L=60μm，W=42μm，L1=40μm，W1=22μm，S=15μm，h0=6μm，h1=18μm，h2=6μm。底层金属反射层及矩形开口谐振环的材料选择为铝，中间基底层的材料选择为聚酰亚胺，填充矩形开口谐振环的材料为二氧化钒。
图9为本发明实施例第一种实施方式的光控可编程超表面的单元结构在周期条件下的透射率和相位关系图。二氧化钒未被激发时记为“OFF”态，激发后记为“ON”态，在图9中可以发现在1.38太赫兹处两种状态都有67%的反射率，并且其相位差接近180°，因此相变前和相变后的结构单元可以分别作为“0”和“1”编码粒子。
接下来将探究两种不同的排列方式对反射波的影响，这两种排列方式的切换是通过计算机控制空间光调制器产生不同的衍射光斑所实现的。需要注意的是在本实施例中采用2×2的“OFF”（“ON”）结构单元组成一个“0”（“1”）编码单元，其主要作用是减轻不同单元间的串扰。
排列方式1：在X方向呈01/01/01……方式排列，在Y方向呈0/0/0……方式排列，即该结构在X方向“0”，“1”交替排列而Y方向固定为“0”状态，可以得到反射波的反射情况如图10所示。可以发现反射波主要为两束强度相当的反射波，其方向为X轴正方向和X轴负方向.
排列方式2：在X和Y方向都呈01/01/01……方式排列，即该结构在X方向和Y方向都呈交替排列，可以得到反射波的反射情况如图11所示，可以发现反射波主要为四束强度相当的反射波，其分别分布于一、二、三、四象限。
此外，改变编码方式可以得到多种具有不同状态和强度的反射波。
本发明经电磁仿真软件CST优化得到的第二种实施方式为：W=40μm，W1=20μm，其余条件与第一种实施方式相同。
图12为本发明实施例第二种实施方式的光控可编程超表面的单元结构在周期条件下的透射率和相位关系图。在图11中可以发现在1.44太赫兹处两种状态都有64%的反射率，并且其相位差接近180°，因此相变前和相变后的结构单元可以分别作为“0”和“1”编码粒子。
本发明经电磁仿真软件CST优化得到的第三种实施方式为：W=44μm，W1=24μm，其余条件与第一种实施方式相同。
图13为本发明实施例第三种实施方式的光控可编程超表面的单元结构在周期条件下的透射率和相位关系图。在图12中可以发现在1.31太赫兹处“ON”和“OFF”两种状态分别拥有64%和68%的反射率，并且其相位差为180°，因此相变前和相变后的结构单元可以分别作为“0”和“1”编码粒子。
当第二种实施方式和第三种实施方式的超单元的排列方式与第一种实施方式相同时得到的反射波的结果与第一种实施方式类似（图10，图11），这表明改变结构尺度参数可以使器件应用于不同的太赫兹波段。
本发明最大的特点体现在光控超表面的结构固定，通过计算机编码衍射光斑即可实现超表面的不同编码形式来实现太赫兹电磁波的调控，而不必对所需要的不同调控功能开发不同的器件，具有低成本、便捷、高效、灵活的特点，对相关功能的实现及相关器件的开发具有重要参考和指导意义。
上述方案及实施例仅对本发明进行补充说明，而非对本发明进行限制。任何在本发明权利要求范围内对本发明所做出的修改，都将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于二氧化钒的可编程超表面，其特征在于，分为上、中、下三层，下层为金属反射层，中间层为介质基底，上层为矩形开口谐振环，所述矩形开口谐振环开口处由相变材料二氧化钒填充，周期排列在介质基底上。
2.如权利要求1所述的一种基于二氧化钒的可编程超表面，其特征在于，所述金属反射层的材料为铝。
3.如权利要求1所述的一种基于二氧化钒的可编程超表面，其特征在于，所述金属反射层的厚度为4μm -6μm。
4.如权利要求1所述的一种基于二氧化钒的可编程超表面，其特征在于，所述介质基底的材料为聚酰亚胺。
5.如权利要求1所述的一种基于二氧化钒的可编程超表面，其特征在于，所述基底材料的厚度为 15μm -20μm。
6.如权利要求1所述的一种基于二氧化钒的可编程超表面，其特征在于，所述矩形开口谐振环的材料为铝，开口处的填充材料为二氧化钒。
7.如权利要求1所述的一种基于二氧化钒的可编程超表面，其特征在于，矩形开口谐振环的厚度为 4μm -6μm，外长为50μm -70μm，外宽为30μm -50μm，内长为30μm -50μm，内宽为10μm -30μm，开口的长度为12μm -18μm。
8.一种基于二氧化钒的实现智能化光控可编程超表面的方法，采用根据权利要求1-7任意一项所述的基于二氧化钒的可编程超表面，其特征在于，结构包括空间光调制器、组合透镜和可编程超表面三部分，所述空间光调制器外接计算机，通过计算机控制空间光调制器产生合适的衍射斑图案，设计合适的光路使得衍射图案投射到可编程超表面各个单元的二氧化钒相变材料上，衍射斑照到的结构单元二氧化钒发生相变，用于实现编码“1”，未照到的单元用于实现编码“0”， 利用实时编码的衍射光斑实现超表面的实时编码，从而实现太赫兹波段电磁波的高效调控。
9.如权利要求8所述的一种基于二氧化钒的实现智能化光控可编程超表面的方法，其特征在于，所述计算机编码的衍射光斑照射到的单元结构记为“ON”态，可用于实现编码“1”，未照到的单元记为“OFF”态，可用于实现编码“0”，二者的相位差为180°。
10.如权利要求8所述的一种基于二氧化钒的实现智能化光控可编程超表面的方法，其特征在于，对所述可编程超表面的调控方式为光控。
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