CN114325898B - 一种基于复合超表面的动态可调太赫兹波分束器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于复合超表面的动态可调太赫兹波分束器，包括衬底层、复合材料层、定位标志和透射相位控制结构。复合材料层和定位标志位于衬底层的上表面；透射相位控制结构位于复合材料层的上表面。透射相位控制结构为相位梯度超表面。入射太赫兹波经过本动态可调太赫兹波分束器被分为两束出射太赫兹波；在此过程中，通过外加激励让复合材料层的复合材料条从绝缘态转为高电导状态，以控制出射太赫兹波的波束强度；其中激发为高电导状态的复合材料条的条数与出射太赫兹波的波束强度呈反比。本发明能将一束太赫兹光分为两束太赫兹波，并能动态调节两束波束的强度和分束比。此外，本发明还具有工艺简单，调控方式可靠，功能丰富等特点。

Description

一种基于复合超表面的动态可调太赫兹波分束器

技术领域

本发明涉及太赫兹波分束器技术领域，具体涉及一种基于复合超表面的动态可调太赫兹波分束器。

背景技术

太赫兹波为频率在0.1-10THz范围内的波段，其在电磁波谱中的位置介于红外光和微波之间，近几十年成为一个热门研究领域。太赫兹波拥有较宽的频率范围、穿透性好以及独特的传播特性，在下一代通信技术、安检、无损探测等领域具有潜在的应用前景。其中，实现太赫兹波的分束是很多应用的基础。

当前所报道的太赫兹波分束器可通过改变偏振来切换波束的产生，或者通过调节复合材料的响应来实现波束的开关，也有通过调节石墨烯的费米能级来在不同频域下产生不同角度的波束。然而，能调节一束乃至多束波束的强度，并实现分束比的动态可调的太赫兹波分束器还没有报道。

发明内容

本发明所要解决的是当前太赫兹波分束器不能有效操控太赫兹波波束的强弱和分束比等问题，提供一种基于复合超表面的动态可调太赫兹波分束器。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于复合超表面的动态可调太赫兹波分束器，包括衬底层、复合材料层、定位标志和透射相位控制结构；复合材料层和定位标志位于衬底层的上表面；透射相位控制结构位于复合材料层的上表面；复合材料层由多条复合材料条组成，这些复合材料条在衬底层上并行排列；透射相位控制结构由多个透射相位控制单元组成，这些透射相位控制单元在复合材料层的上表面呈矩阵排列；透射相位控制结构的行数与复合材料层的条数相同，每一行透射相位控制单元各设置在一条复合材料条的上方；透射相位控制结构的每一个奇数行上的透射相位控制单元的透射相位以360°/m的相位差从小到大呈梯度变化；透射相位控制结构的每一个偶数行上的透射相位控制单元的透射相位以360°/m的相位差从大到小呈梯度变化；其中m为每一行透射相位控制单元的个数；入射太赫兹波经过本动态可调太赫兹波分束器被分为两束出射太赫兹波；在此过程中，通过外加激励让复合材料层的复合材料条从绝缘态转为高电导状态，以控制出射太赫兹波的波束强度；其中激发为高电导状态的复合材料条的条数与出射太赫兹波的波束强度呈反比，即：位于奇数行的复合材料条被激发为高电导状态的条数越多，其所对应的第一束出射太赫兹波的波束强度越小；反之，位于奇数行的复合材料条被激发为高电导状态的条数越少，其所对应的第一束出射太赫兹波的波束强度越大；位于偶数行的复合材料条被激发为高电导状态的条数越多，其所对应的第二束出射太赫兹波的波束强度越小；反之，位于偶数行的复合材料条被激发为高电导状态的条数越少，其所对应的第二束出射太赫兹波的波束强度越大。

与现有技术相比，本发明能将一束太赫兹光分为两束太赫兹波，并能动态调节两束波束的强度和分束比，从而大大提升了波束的调控能力，使得原本的分束器不能重复利用以及不能按需调控强度的缺陷得到解决。此外，本发明还具有工艺简单，调控方式可靠，功能丰富等特点。

附图说明

图1为一种基于复合超表面的动态可调太赫兹波分束器的正视结构图；

图2为图1中点虚线框处的局部放大结构图；

图3为一个透射相位控制单元的正视结构图；

图4为一个透射相位控制单元的侧视结构图；

图5为本发明的应用实例示意图；

图6的(a)和(b)分别为本发明在没有泵浦激光照射时的局部结构示意图和0.8THz电场分布结果图；

图7的(a)和(b)分别为本发明的相位递增C形阵列在受到一定密度的泵浦激光照射时的局部结构示意图和0.8THz电场分布结果图；

图8的(a)和(b)分别为本发明的相位递增C形阵列在受到相比于图7更大密度的泵浦激光照射时的局部结构示意图和0.8THz电场分布结果图；

图9的(a)和(b)分别为本发明的相位递增C形阵列泵浦激光照射时的局部结构示意图和.8THz电场分布结果图；

图中标记为：1、衬底层；2、复合材料层；3、定位标志；4、透射相位控制单元；5、太赫兹发射器；6、太赫兹接收器；7、分束器；8、激光光源；9、空间光调制器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，对本发明进一步详细说明。

一种基于复合超表面的动态可调太赫兹波分束器，如图1和2所示，包括衬底层1、复合材料层2、定位标志3和透射相位控制结构。

衬底层1为本动态可调太赫兹波分束器的基底，其采用绝缘材料制成。在本实施例中，衬底层1由蓝宝石材料制成。复合材料层2和定位标志3位于衬底层1的上表面。

由于动态可调太赫兹波分束器在相位调制的过程中，对入射的太赫兹波的偏振方向有要求(用水平H方向偏振的太赫兹光入射，检测竖直V方向出射的偏振光)，因此需要在衬底层1的上表面增设定位标志3来提醒分束器的安装方向。定位标志3由金属材料制成，且最好与透射相位控制单元4的材料一致。定位标志3的形状和位置并不重要。在本实施例中，定位标志3为倒L形的铝涂层，并位于衬底层1的其中一个对角处。

透射相位控制结构位于复合材料层2的上表面，其由多个透射相位控制单元4组成，这些透射相位控制单元4在复合材料层2的上表面呈矩阵排列。每个透射相位控制单元4采用金属材料制成，其可以为金、银、铜、铝中的任一种。在本实施例中，透射相位控制单元4均采用铝制成。所有透射相位控制单元4的尺寸相同，且每2个相邻(包括横向和纵向相邻)的透射相位控制单元4的距离相等。在本实施例中，透射相位控制结构的行数和列数均为10。透射相位控制结构由两种相位梯度的金属结构组成，两种相位梯度的金属结构以奇偶行交错排列。透射相位控制结构的每一个奇数行上的透射相位控制单元4的透射相位从小到大呈梯度变化。透射相位控制结构的每一个偶数行上的透射相位控制单元4的透射相位从大到小呈梯度变化。位于同一行的相邻2个透射相位控制单元4的透射相位差为360°/m。其中m为每一行透射相位控制单元4的个数。值得注意的是，本发明的重点在于保证各行透射相位控制单元4之间的相位差，在此基础上，而各行透射相位控制单元4的参考原点相位可以根据需要进行设定。在本实施例中，各行透射相位控制单元4的参考原点相位为0°，透射相位控制结构的每一行为8个透射相位控制单元4，此时相邻2个透射相位控制单元4的透射相位差为360°/8＝45°。每个奇数行上的透射相位控制单元4的透射相位依次为0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°，以形成相位梯度为45°的超表面，此时，当太赫兹光穿过该相位逐次递增的奇数行时能够产生角度为35.87°的倾斜波前。每个偶数行上的透射相位控制单元4的透射相位依次为315°、270°、225°、180°、135°、90°、45°、0°以形成相位梯度为-45°的超表面，此时，当太赫兹光穿过该相位逐次递减的偶数行时能够产生角度为-35.87°的倾斜波前。

每个透射相位控制单元4可以为任何能够产生相位梯度的各类金属单元结构，如相位控制超表面中常见的L形结构、H形结构、C形结构或金属棒等结构。这些透射相位控制单元4可以为相同的金属单元结构，也可以不同的金属单元结构。在本实施例中，所有透射相位控制单元4均为C形的金属单元结构，其可以通过调整其C形的半径和/或C形的开口来产生不同的透射相位，如图3和4所示。在本实例中，奇数行上的透射相位控制单元4依次为：第一个C形的金属单元结构C1的半径为35，开口角度为10.5；第二个C形的金属单元结构C2的半径为31.5，开口角度为15；第三个C形的金属单元结构C3的半径为32，开口角度为43；第四个C形的金属单元结构C4的半径为34.55，开口角度为73.5；第五个C形的金属单元结构C5的半径为35，开口角度为10.5；第六个C形的金属单元结构C6的半径为31.5，开口角度为15；第七个C形的金属单元结构C7的半径为32，开口角度为43；第八个C形的金属单元结构C8的半径为34.55，开口角度为73.5。在本实例中，偶数行上的透射相位控制单元4依次为：第一个C形的金属单元结构C8的半径为34.55，开口角度为73.5；第二个C形的金属单元结构C7的半径为32，开口角度为43；第三个C形的金属单元结构C6的半径为31.5，开口角度为15；第四个C形的金属单元结构C5的半径为35，开口角度为10.5；第五个C形的金属单元结构C4的半径为34.55，开口角度为73.5；第六个C形的金属单元结构C3的半径为32，开口角度为43；第七个C形的金属单元结构C2的半径为31.5，开口角度为15；第八个C形的金属单元结构C1的半径为35，开口角度为10.5。

复合材料层2位于衬底层1的中部，且复合材料层2的尺寸略小于衬底层1的尺寸。复合材料层2所采用的复合材料可以为硅，二氧化钒、石墨烯等太赫兹器件设计中常用复合材料中的任一种。不同复合材料所制成的复合材料层2，其外加激励的方式不同。硅结构在受到泵浦激光即泵光的照射时，会激发出光生载流子，其呈现出的高电导状态会使得太赫兹光透过硅层的能力被削弱。二氧化钒也会在温度、外部电压、泵光的激发下，呈现出类似的从绝缘态转化为高电导状态。石墨烯可通过外部电压激发下，调节费米能级并呈现高电导状态来达到这种效果。为了实现按需控制复合材料层2的响应区域面积，复合材料层2由多条复合材料条组成，这些复合材料条在衬底层1上并行排列。复合材料层2的条数与透射相位控制结构的行数相同，每一行透射相位控制单元4各设置在一条复合材料条的上方。在具体实施时，当复合材料层2的复合材料条采用外部泵光激励时，由于各条复合材料条相互连接不会影响其响应控制的独立性，因此复合材料层2的所有复合材料条可以相连；而当复合材料层2的复合材料条采用外部电压激励时，由于各条复合材料条相互连接会影响其控制的响应独立性，因此复合材料层2的各个复合材料条需要相互独立。在本实施例中，复合材料层2采用硅材质，硅材质通过外加泵光方式从绝缘态转化为高电导状态，因此采用外加泵光的方式激励来激励，复合材料层2为一个完整的不间断正方形的铝涂层。

本发明采用局部控制复合材料层2的响应的方式，即让一些区域的复合材料激发为高电导状态，另一些局域保留为原绝缘态，通过改变被激发为高电导状态的复合材料的区域面积来调节某一波束的强度，进而实现分束比的调控。入射太赫兹波经过本动态可调太赫兹波分束器被分为两束出射太赫兹波。在此过程中，通过外加激励让复合材料层2的复合材料条从绝缘态转为高电导状态，以控制出射太赫兹波的波束强度。其中激发为高电导状态的复合材料条的条数与出射太赫兹波的波束强度呈反比，即：位于奇数行的复合材料条被激发为高电导状态的条数越多，与之对应的第一束出射太赫兹波的波束强度越小。反之，位于奇数行的复合材料条被激发为高电导状态的条数越少，与之对应的第一束出射太赫兹波的波束强度越大。位于偶数行的复合材料条被激发为高电导状态的条数越多，与之对应的第二束出射太赫兹波的波束强度越小。反之，位于偶数行的复合材料条被激发为高电导状态的条数越少，与之对应的第二束出射太赫兹波的波束强度越大。

图5为本发明的一种应用实例示意图，其包括激光光源8、空间光调制器9、太赫兹发射器5、2个太赫兹接收器6、以及基于复合超表面的动态可调太赫兹波分束器7。其中分束器7的复合材料层2的材料为硅，其通过泵光激励。在实际运行中，太赫兹发射器5发出的太赫兹波沿图1的H轴方向偏振并沿图5的光路由分束器7表面的透射相位控制结构传播至分束器7背面的衬底，此时入射的太赫兹波被分为两束出射太赫兹波分别被2个太赫兹接收器6接收。与此同时，激光光源8发出的激光经过空间光调制器9反射后，照射到分束器7的复合材料层2上。当某一行透射相位控制单元4下面的复合材料条被激光激发为高电导状态时，会使得穿过这一行的太赫兹光在一定程度上被阻隔，那么该行便不能产生倾斜波束。这样便可以通过改变空间光调制器9的图案来对分束器7中某些行的复合材料条的激发进行控制，使得某一行透射相位控制单元4产生的倾斜波束实现动态开或关。据此，当被照明激发的行数越多时，激发为高电导状态的复合材料条的条数越多，透射相位控制结构所产生的倾斜波束的强度也越弱；反之，当被照明激发的行数越少时，激发为高电导状态的复合材料条的条数越少，透射相位控制结构所产生的倾斜波束的强度也越强。根据此原理，便实现了对两束出射太赫兹波的波束强度大小的控制，进而实现用泵光图案的切换来实时改变分束比。

当空间光调制器9的泵光图案如图6a所示，即没有泵浦激光照射到分束器7上时，分束器7在0.8THz频率处的电场分布如图6b图所示。太赫兹光经过分束器7超表面上相位梯度为45°和-45°的透射相位控制结构时，产生了角度为35.87°和-35.87°两束倾斜波束，两束波束的强度大小相同(0.3V/m)，此时两束出射太赫兹波的分束比为1：1。

当空间光调制器9的泵光图案图7a所示(图中黑色条纹代表泵浦激光照射)，即一定密度的泵浦激光条纹照射到分束器7的奇数行的透射相位控制单元4上时，分束器7在0.8THz频率处的电场分布如图7b图所示。太赫兹光经过分束器7超表面上仍然会产生了角度为35.87°和-35.87°两束倾斜波束，但奇数行所对应的左边的波束由于受到一定密度的泵浦激光的照射，强度减弱(0.169V/m)，而偶数行所对应的右边的波束仍然保持原来的强度(0.3V/m)，此时两束出射太赫兹波的分束比约为1：2。

当空间光调制器9的泵光图案图8a所示(图中黑色条纹代表泵浦激光照射)，即相比于图7a更密的泵浦激光条纹照射到分束器7的奇数行的透射相位控制单元4上时，分束器7在0.8THz频率处的电场分布如图8b图所示。太赫兹光经过分束器7超表面上仍然会产生了角度为35.87°和-35.87°两束倾斜波束，但奇数行所对应的左边的波束由于受到更密的泵浦激光的照射，强度再次减弱(0.06V/m)，电场条纹变淡，而偶数行所对应的右边的波束仍然保持原来的强度(0.3V/m)，此时两束出射太赫兹波的分束比为1：5。

当空间光调制器9的泵光图案图9a所示(图中黑色条纹代表泵浦激光照射)，即泵浦激光条纹照射到分束器7的所有奇数行的透射相位控制单元4上时，分束器7在0.8THz频率处的电场分布如图9b图所示。太赫兹光经过分束器7超表面上仍然会产生了角度为35.87°和-35.87°两束倾斜波束，但奇数行所对应的左边的波束由于全被泵浦激光的照射，场强大小几乎消失(0.02V/m)，电场条纹也几近消失，而偶数行所对应的右边仍然保持原来的强度(0.3V/m)，此时两束出射太赫兹波的分束比约为1：15。

由此可见，本发明只需利用光调制器9编辑泵光图案就能实现多种功能的选择和切换，增强了分束器7设计的灵活性，提高了器件的实用性，更有利于器件的集成化和成本控制；此外，该控制方法的调制速率由空间光调制器9的调制速率决定，能够满足快速调制的需求。

需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种基于复合超表面的动态可调太赫兹波分束器，其特征是，包括衬底层(1)、复合材料层(2)、定位标志(3)和透射相位控制结构；复合材料层(2)和定位标志(3)位于衬底层(1)的上表面；透射相位控制结构位于复合材料层(2)的上表面；

复合材料层(2)由多条复合材料条组成，这些复合材料条在衬底层(1)上并行排列；透射相位控制结构由多个透射相位控制单元(4)组成，这些透射相位控制单元(4)在复合材料层(2)的上表面呈矩阵排列；透射相位控制结构的行数与复合材料层(2)的条数相同，每一行透射相位控制单元(4)各设置在一条复合材料条的上方；

透射相位控制结构的每一个奇数行上的透射相位控制单元(4)的透射相位以360°/m的相位差从小到大呈梯度变化；透射相位控制结构的每一个偶数行上的透射相位控制单元(4)的透射相位以360°/m的相位差从大到小呈梯度变化；其中m为每一行透射相位控制单元(4)的个数；

入射太赫兹波经过本动态可调太赫兹波分束器(7)被分为两束出射太赫兹波；在此过程中，通过外加激励让复合材料层(2)的复合材料条从绝缘态转为高电导状态，以控制出射太赫兹波的波束强度；其中激发为高电导状态的复合材料条的条数与出射太赫兹波的波束强度呈反比，即：

位于奇数行的复合材料条被激发为高电导状态的条数越多，其所对应的第一束出射太赫兹波的波束强度越小；反之，位于奇数行的复合材料条被激发为高电导状态的条数越少，其所对应的第一束出射太赫兹波的波束强度越大；

位于偶数行的复合材料条被激发为高电导状态的条数越多，其所对应的第二束出射太赫兹波的波束强度越小；反之，位于偶数行的复合材料条被激发为高电导状态的条数越少，其所对应的第二束出射太赫兹波的波束强度越大。

2.据权利要求1所述的一种基于复合超表面的动态可调太赫兹波分束器，其特征是，复合材料层(2)由硅、二氧化钒或石墨烯材料制成。

3.根据权利要求2所述的一种基于复合超表面的动态可调太赫兹波分束器，其特征是，复合材料层(2)由硅材料制成。

4.权利要求1所述的一种基于复合超表面的动态可调太赫兹波分束器，其特征是，通过外加泵光或电压的方式来激励复合材料条。

5.权利要求4所述的一种基于复合超表面的动态可调太赫兹波分束器，其特征是，通过外加泵光的方式来激励复合材料条。

6.根据权利要求1所述的一种基于复合超表面的动态可调太赫兹波分束器，其特征是，定位标志(3)和透射相位控制单元(4)均由金属材料制成。

7.根据权利要求6所述的一种基于复合超表面的动态可调太赫兹波分束器，其特征是，定位标志(3)和透射相位控制单元(4)采用铝制成。

8.根据权利要求1所述的一种基于复合超表面的动态可调太赫兹波分束器，其特征是，复合材料层(2)处于衬底层(1)的上表面的中部，定位标志(3)处于衬底层(1)的上表面的边缘。

9.根据权利要求1所述的一种基于复合超表面的动态可调太赫兹波分束器，其特征是，衬底层(1)由蓝宝石材料制成。