CN113764896B - 太赫兹波角度偏转控制器及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太赫兹波角度偏转控制器及其方法。它包括太赫兹波入射端、太赫兹波输出端、方形状半镂空角度偏转器；方形状半镂空角度偏转器由24×24个单元结构组成；24×24个单元结构周期排列在太赫兹波入射方向垂直的平面上，单元结构包括顶层硅介质结构和底层金属板；其中，顶层硅介质结构位于底层金属板上方，所述的顶层介质结构为中心半镂空的长方体形状，底层用金属板增强太赫兹波的反射效果，使用四种不同尺寸的中心半镂空长方形形状的单元结构组成不同编码序列来控制太赫兹波的角度偏转。本发明的太赫兹波角度偏转控制器结构简单，制作方便，角度调节范围广，满足在太赫兹波系统应用要求。

Description

太赫兹波角度偏转控制器及其方法
技术领域
本发明涉及太赫兹波应用技术领域，尤其涉及一种太赫兹波角度偏转控制器及其方法。
背景技术
太赫兹波是一种频率介于0.1～10THz、波长介于3000～30μm的电磁波。太赫兹波在电磁波谱中的位置位于微波与红外辐射之间，在长波段与毫米波重合，在短波段与红外光相重合。因其波长具有的特殊性质，被广泛的应用于安全检查、航天航空、生物医学、通信等领域。目前对太赫兹器件的研究主要是集中于太赫兹滤波器、吸收器和偏振控制器等功能器件，对太赫兹波束调控的研究相关报道较少，因此本发明提出的太赫兹波角度偏转控制器丰富了对太赫兹波的调控功能。本发明提出的太赫兹波角度偏转控制器使用四种编码单元组成编码超表面的空间排列序列，利用改变排列周期进行改变偏转角度的方法来调控入射的太赫兹波，本发明器件结构简单，性能优越。
发明内容
本发明为了克服现有技术不足，提供一种太赫兹波角度偏转控制器。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种太赫兹波角度偏转控制器，其包括方形状半镂空角度偏转器；所述方形状半镂空角度偏转器由24×24个单元结构组成，24×24个单元结构以连续拼接形式周期排列在与太赫兹波输入方向垂直的平面上；
每个所述的单元结构包括顶层硅介质结构和底层金属板，单元结构的顶面作为信号输入端；其中，所述的顶层硅介质结构设置于底层金属板上，呈长方体形状；顶层硅介质结构在顶面中心位置处从上往下开设有上层长方体镂空和下层长方体镂空；且所述单元结构根据上层长方体镂空和下层长方体镂空的长度和宽度尺寸不同，构造有相位差为90°的四种单元结构，分别为第一单元结构、第二单元结构、第三单元结构和第四单元结构；
24×24个单元结构在平面上由一系列N×N编码序列组成，每一个N×N编码序列由N×N个第一单元结构、N×N个第二单元结构、N×N个第三单元结构、N×N个第四单元结构按顺序依次横向排列组成，其中N为2或3。
上述方案中的各部件具体参数可采用如下优选方式：
作为优选，每个单元结构的正视图均为正方形，正方形边长为90～110μm，衬底金属板的长度和宽度均为90～110μm，厚度为0.8～1.2μm，顶层硅介质层的长度和宽度均为90～110μm，厚度为65～75μm。
作为优选，所述衬底金属板的材料为铝。
作为优选，每个单元结构中，顶层硅介质层以及其中开设的上层长方体镂空和下层长方体镂空的横截面均为正方形。
作为优选，所述的第一单元结构中，上层长方体镂空和下层长方体镂空的长度和宽度均为89～91μm；第二单元结构中，上层长方体镂空的长度和宽度均为69～71μm，下层长方体镂空的长度和宽度均为72～74μm；第三单元结构中，上层长方体镂空的长度和宽度均为39～41μm，下层长方体镂空的长度和宽度均为55～57μm；第四单元结构中，上层长方体镂空的长度和宽度均为29～31μm，下层长方体镂空的长度和宽度均为36～38μm；四种单元结构的上层长方体镂空和下层长方体镂空的厚度均为28～32μm。
作为优选，24×24个单元结构在平面上由36个2×2编码序列按照12×3阵列形式连续排布。
作为优选，24×24个单元结构在平面上由16个3×3编码序列按照8×2阵列形式连续排布。
另一方面，本发明提供了一种使用上述任一方案所述太赫兹波角度偏转控制器进行波束角度偏转的控制方法，具体为：基于位差为90°的四种单元结构，将其按照预先设定的编码序列周期在平面上组成编码序列，并形成周期排列的24×24个单元结构；当太赫兹波从太赫兹波输入端输入时，频率为1THz的太赫兹波被方形状半镂空角度偏转器中的24×24个单元结构反射，根据预先设定的编码序列周期控制太赫兹波以不同的角度进行偏转，且编码序列周期越大，反射波束的偏转角度越小，而反射效率越大。
作为优选，每个单元结构的正视图均为正方形，正方形边长为90～110μm。所述底层金属板的材料为铝，长度和宽度均为90～110μm，厚度为0.8～1.2μm。所述顶层硅介质结构的长度和宽度均为90～110μm，厚度为65～75μm。所述四种顶层硅介质结构中，从顶面往下的第一层空心长方体层的长度和宽度均分别为89～91μm、69～71μm、39～41μm、29～31μm，第二层长方体镂空的长度和宽度均分别为89～91μm、72～74μm、55～57μm、36～38μm，厚度均为28～32μm。
本发明还提供了一种使用如前述任一方案所述太赫兹波角度偏转控制器进行波束角度偏转的方法，其具体为：当太赫兹波从太赫兹波输入端输入时，频率为1THz的太赫兹波被24×24个单元结构反射，利用调整顶层硅介质结构中的空心层的长度和宽度，使相位发生变化，生成由相位差为90°的四种单元结构组成的编码序列；周期阵列排布的24×24个单元结构中，通过对每一阵列上分布不同长方体镂空尺寸的单元，控制太赫兹波以不同的偏转角度进行反射。
本发明的太赫兹波角度偏转控制器具有结构简单紧。结构简单，制作方便，角度调节范围广，满足在太赫兹波系统应用要求。
附图说明
图1是太赫兹波角度偏转控制器的三维结构示意图；
图2是太赫兹波角度偏转控制器在单元结构三维示意图(a)和单元结构侧视图(b)；
图3是太赫兹波角度偏转控制器以四种2×2个单元结构周期排列组成的正视图(a)和三维远场散射图(b)；
图4是太赫兹波角度偏转控制器以四种2×2个单元结构周期排列组成的归一化反射幅度；
图5是太赫兹波角度偏转控制器以四种3×3个单元结构周期排列组成的正视图(a)和三维远场散射图(b)；
图6是太赫兹波角度偏转控制器以四种3×3个单元结构周期排列组成的归一化反射幅度。
具体实施方式
如图1～5所示，在本发明的一个实施例中，提供了一种太赫兹波角度偏转控制器，其包括信号输入端1、信号输出端2、方形状半镂空角度偏转器3。其中方形状半镂空角度偏转器3由24×24个单元结构4组成，24×24个单元结构4以连续拼接形式周期排列在与太赫兹波输入方向垂直的平面上，形成一个连续的平面。
如图2所示，对于每个单元结构4而言，其包括顶层硅介质结构5和底层金属板6两部分，顶层硅介质结构5设置于底层金属板6上，呈长方体形状，其底面与底层金属板6顶面形状相同，两者完全重合。底层金属板6可以增强太赫兹波的反射效果。顶层硅介质结构5在顶面中心位置处从上往下开设有上层长方体镂空7和下层长方体镂空8，且上层长方体镂空7和下层长方体镂空8均沿着单元结构4中心开设，使整个单元结构4任一横截面均呈中心对称。单元结构4的顶面作为信号输入端1，太赫兹波从太赫兹波输入端输入时，能够在单元结构4的顶面发生反射，但其在反射式会具有一定的偏转角，因此单元结构4的顶面也作为信号输出端2。单元结构4根据上层长方体镂空7和下层长方体镂空8的长度和宽度尺寸不同，构造有四种单元结构，分别为第一单元结构9、第二单元结构10、第三单元结构11和第四单元结构12，四种单元结构由于尺寸不同会产生90°的相位差。因此通过对四种单元结构进行一定的编码形成超表面，就可以在太赫兹波入射至超表面时使其按照一定的偏转角进行反射。
需要说明的是，图2中所展示的结构尺寸参数仅用于示意，镂空部分具体的尺寸参数并不一定按照图中所示。
在本发明中，24×24个单元结构4在平面上由一系列N×N编码序列组成，每一个N×N编码序列由N×N个第一单元结构9、N×N个第二单元结构10、N×N个第三单元结构11、N×N个第四单元结构12按从左到右的顺序依次横向排列组成。因此，每一个N×N编码序列一共具有4×N×N个单元结构，24×24个单元结构4实际上由(24×24)÷(4×N×N)个N×N编码序列组成。在本发明中，设计N×N编码序列有两种，即N为2或3。利用不同数量的四种单元结构进行编码，可以组成2×2编码序列13和3×3编码序列14。
该太赫兹波角度偏转控制器中各部件的具体材料和参数如下：
每个单元结构4的正视图均为正方形，正方形边长为90～110μm，衬底金属板6的长度和宽度均为90～110μm，厚度为0.8～1.2μm，顶层硅介质层5的长度和宽度均为90～110μm，厚度为65～75μm。衬底金属板6的材料为铝。每个单元结构4中，顶层硅介质层5以及其中开设的上层长方体镂空7和下层长方体镂空8的横截面均为正方形。第一单元结构9中，上层长方体镂空7和下层长方体镂空8的长度和宽度均为89～91μm；第二单元结构10中，上层长方体镂空7的长度和宽度均为69～71μm，下层长方体镂空8的长度和宽度均为72～74μm；第三单元结构11中，上层长方体镂空7的长度和宽度均为39～41μm，下层长方体镂空8的长度和宽度均为55～57μm；第四单元结构12中，上层长方体镂空7的长度和宽度均为29～31μm，下层长方体镂空8的长度和宽度均为36～38μm；四种单元结构的上层长方体镂空7和下层长方体镂空8的厚度均为28～32μm。
在上述尺寸参数下，可以控制四种结构单元相位差为90°，进而通过设置一定的编码序列周期，就可以控制反射波束的偏转角度和反射效率。
基于上述太赫兹波角度偏转控制器，还可以提供一种太赫兹波偏转方法，具体做法为：
预先调整顶层硅介质层5中的各长方体镂空的长度和宽度，使相位发生变化，生成由相位差为90°的四种单元结构；然后基于位差为90°的四种单元结构，将其按照预先设定的编码序列周期在平面上组成编码序列，并形成周期排列的24×24个单元结构4；当太赫兹波从太赫兹波输入端1输入时，频率为1THz的太赫兹波被方形状半镂空角度偏转器3中的24×24个单元结构4反射，根据预先设定的编码序列周期控制太赫兹波以不同的角度进行偏转，且编码序列周期越大，反射波束的偏转角度越小，而反射效率越大。
具体的编码周期可根据实际进行优化设计，在本发明的后续实施例中，可以提供两种编码序列周期：第一种周期N＝2，即如图3中(a)所示，24×24个单元结构4在平面上由36个2×2编码序列13按照12×3阵列形式连续排布；第二种周期N＝3，即如图5中(a)所示，24×24个单元结构4在平面上由16个3×3编码序列14按照8×2阵列形式连续排布。
下面基于上述太赫兹波角度偏转控制器，通过实施例说明其具体技术效果。
实施例1
本实施例中，太赫兹波角度偏转控制器的结构和各部件形状如上所述，因此不再赘述。但各部件的具体参数如下：
每个单元结构4的正视图均为正方形，正方形边长为100μm，衬底金属板6的长度和宽度均为100μm，厚度为1.0μm，顶层硅介质层5的长度和宽度均为100μm，厚度为70μm。衬底金属板6的材料为铝。每个单元结构4中，顶层硅介质层5以及其中开设的上层长方体镂空7和下层长方体镂空8的横截面均为正方形。第一单元结构9中，上层长方体镂空7和下层长方体镂空8的长度和宽度均为90μm；第二单元结构10中，上层长方体镂空7的长度和宽度均为70μm，下层长方体镂空8的长度和宽度均为73μm；第三单元结构11中，上层长方体镂空7的长度和宽度均为40μm，下层长方体镂空8的长度和宽度均为56μm；第四单元结构12中，上层长方体镂空7的长度和宽度均为30μm，下层长方体镂空8的长度和宽度均为37μm；四种单元结构的上层长方体镂空7和下层长方体镂空8的厚度均为30μm。最终，如图3(a)所示，24×24个单元结构4在平面上由36个2×2编码序列13按照12×3阵列形式连续排布。
由于偏转控制器底层金属板的存在，太赫兹波不能透射出去，增强太赫兹波的反射作用。当太赫兹波输入端输入时，频率为1THz的太赫兹波被24×24个单元结构反射，利用调整顶层硅介质结构中的空心层的长度和宽度，引起相位的改变，生成由相位差为90°的四种单元结构组成的编码序列；周期阵列排布的24×24个单元结构中，通过对每一阵列上分布不同长方体镂空尺寸的单元，控制太赫兹波以不同的偏转角度进行反射。在本实施例中，将第一单元结构9的单元编号9标为“00”，将第二单元结构10的单元编号10标为“01”，将第三单元结构11的单元编号11标为“10”，将第四单元结构12的单元编号12标为“11”。
为了验证本发明的角度偏转控制功能，基于编码超表面设计了一种反射太赫兹波束角度偏转控制器，图3和图4分别给出在1THz时太赫兹波垂直入射到太赫兹波束角度偏转控制器在第一种编码序列下的正视图、三维远场散射图和归一化散射图，可以看出入射的太赫兹波以一定偏转角度反射出来。本实施例中角度偏转控制器的编码序列的超表面示意图和三维远场散射图如图4所示，以“00 00 01 01 10 10 11 11”的编码序列周期排列，在1THz处当太赫兹波垂直入射到角度偏转控制器时，反射波束在x轴方向上与z轴之间产生了22°的偏转，反射峰值为0.72。
实施例2
本实施例中，太赫兹波角度偏转控制器的结构和各部件形状如实施例1所述，因此不再赘述。相对于实施例1而言，本实施例仅改变了四种结构单元的编码序列周期，即如图5(a)所示，24×24个单元结构4在平面上由16个3×3编码序列14按照8×2阵列形式连续排布。根据广义斯涅尔定律，改变相位梯度周期，太赫兹波的偏转角度也会发生改变。图5和图6分别给出在1THz时太赫兹波垂直入射到太赫兹波束角度偏转控制器在第二种编码序列下的正视图、三维远场散射图和归一化散射图，编码序列为“00 00 00 01 01 01 10 10 1011 11 11”，由于改变了编码序列的周期，所以在1THz处太赫兹波垂直入射时，反射波的偏转角度变为14°，反射峰值为0.79。
为了更加清晰且精确地证明设计的角度偏转控制器对太赫兹波的偏转角度控制效果，给出了太赫兹波入射在四种编码序列的超表面时的反射波束归一化反射幅度，如图4和图6所示。从图中明显看出编码序列周期越大即N越大，反射波束的偏转角度越小，而反射效率会逐渐变大，这两种编码序列的反射峰值分别为0.72和0.79，对应的偏转角度分别为22°和14°。因此我们可以根据这种方式来对单个反射波束的角度进行灵活的调控，实现太赫兹波角度偏转控制的功能。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种太赫兹波角度偏转控制器，其特征在于，包括方形状半镂空角度偏转器(3)；所述方形状半镂空角度偏转器(3)由24×24个单元结构(4)组成，24×24个单元结构(4)以连续拼接形式周期排列在与太赫兹波输入方向垂直的平面上；
每个所述的单元结构(4)包括顶层硅介质结构(5)和底层金属板(6)，单元结构(4)的顶面作为信号输入端(1)；其中，所述的顶层硅介质结构(5)设置于底层金属板(6)上，呈长方体形状；顶层硅介质结构(5)在顶面中心位置处从上往下开设有上层长方体镂空(7)和下层长方体镂空(8)；且所述单元结构(4)根据上层长方体镂空(7)和下层长方体镂空(8)的长度和宽度尺寸不同，构造有相位差为90°的四种单元结构，分别为第一单元结构(9)、第二单元结构(10)、第三单元结构(11)和第四单元结构(12)；
24×24个单元结构(4)在平面上由一系列N×N编码序列组成，每一个N×N编码序列由N×N个第一单元结构(9)、N×N个第二单元结构(10)、N×N个第三单元结构(11)、N×N个第四单元结构(12)按顺序依次横向排列组成，其中N为2或3。
2.如权利要求1所述的一种太赫兹波角度偏转控制器，其特征在于，每个单元结构(4)的正视图均为正方形，正方形边长为90～110μm，衬底金属板(6)的长度和宽度均为90～110μm，厚度为0.8～1.2μm，顶层硅介质层(5)的长度和宽度均为90～110μm，厚度为65～75μm。
3.如权利要求1所述的一种太赫兹波角度偏转控制器，其特征在于，所述衬底金属板(6)的材料为铝。
4.如权利要求1所述的一种太赫兹波角度偏转控制器，其特征在于，每个单元结构(4)中，顶层硅介质层(5)以及其中开设的上层长方体镂空(7)和下层长方体镂空(8)的横截面均为正方形。
5.如权利要求1所述的一种太赫兹波角度偏转控制器，其特征在于，所述的第一单元结构(9)中，上层长方体镂空(7)和下层长方体镂空(8)的长度和宽度均为89～91μm；第二单元结构(10)中，上层长方体镂空(7)的长度和宽度均为69～71μm，下层长方体镂空(8)的长度和宽度均为72～74μm；第三单元结构(11)中，上层长方体镂空(7)的长度和宽度均为39～41μm，下层长方体镂空(8)的长度和宽度均为55～57μm；第四单元结构(12)中，上层长方体镂空(7)的长度和宽度均为29～31μm，下层长方体镂空(8)的长度和宽度均为36～38μm；四种单元结构的上层长方体镂空(7)和下层长方体镂空(8)的厚度均为28～32μm。
6.如权利要求1所述的一种太赫兹波角度偏转控制器，其特征在于，24×24个单元结构(4)在平面上由36个2×2编码序列(13)按照12×3阵列形式连续排布。
7.如权利要求1所述的一种太赫兹波角度偏转控制器，其特征在于，24×24个单元结构(4)在平面上由16个3×3编码序列(14)按照8×2阵列形式连续排布。
8.一种使用如权利要求1～7任一所述太赫兹波角度偏转控制器进行波束角度偏转的控制方法，其特征在于，基于位差为90°的四种单元结构，将其按照预先设定的编码序列周期在平面上组成编码序列，并形成周期排列的24×24个单元结构(4)；当太赫兹波从太赫兹波输入端(1)输入时，频率为1THz的太赫兹波被方形状半镂空角度偏转器(3)中的24×24个单元结构(4)反射，根据预先设定的编码序列周期控制太赫兹波以不同的角度进行偏转，且编码序列周期越大，反射波束的偏转角度越小，而反射效率越大。
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太赫兹频率编码器;李绍和;李九生;孙建忠;;物理学报(10);全文 *

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