CN114326226B - 一种用于太赫兹波前调制的电寻址超表面 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种用于太赫兹波前调制的电寻址超表面。包括像素化的电极阵列板，第一取向层，液晶层，第二取向层，超表面结构层和衬底层。其中电极阵列板中的每一个电极可以独立给定电势，第一取向层和第二取向层具备相同的取向方向，可用于限定液晶层中分子在初始状态下的指向，超表面结构层由金属组成，在平行于取向层取向上存在劈裂，在垂直于取向上是相互连接贯通的。衬底由对太赫兹高透的材料制成。本发明实施例的技术方案，可以通过电寻址的方式方便地对以特定偏振入射的太赫兹波实现空间振幅调制，以解决现有技术中太赫兹调制器功能单一、集成度不高、实用性能低的技术问题。

Description

一种用于太赫兹波前调制的电寻址超表面

技术领域：

本发明涉及太赫兹成像和通讯技术，尤其涉及一种用于太赫兹波前调制的电寻址超表面。

背景技术：

太赫兹波位于毫米波和红外波段之间，具有一定的穿透性，水吸收特性以及能量低等特性。由于这些特性，太赫兹成像技术在安检、医疗和无损检测等领域有着重要的应用前景和研究价值。此外，由于太赫兹的频率远高于商用的射频波段，具有相当高的带宽，在未来的高速无线通信中具有潜在的应用。在这些涉及太赫兹成像和通讯的应用中，波前调制器具有不可或缺的作用。液晶是一种可调谐的天然材料，被广泛的应用到可见光波段的空间光调制器中。但是直接将它移植到太赫兹波段是存在问题的，因为太赫兹波的波长大，这需要液晶层的厚度到毫米量级，导致器件响应速度变慢，偏置电压增高，存在调制性能差和体积大等缺点。超表面器件是人工设计的亚波长天线阵列，可以对相当宽的电磁波波段包括太赫兹波进行有效的调控，具有结构紧凑，厚度薄等优势。但是，当前的超表面器件大多是被动形式，功能单一，无法实现动态调制，这在使用中是极其不便的。如何将液晶的性质和超表面的优势结合，研发有效的太赫兹波前调制器仍然是一个亟需解决的问题。

发明内容：

本发明克服上述现有技术的缺点，提供一种用于太赫兹波前调制的电寻址超表面。该器件具有一万个以上的独立电极，可以在亚波长尺度下对太赫兹波的振幅进行调制，具有很高的空间带宽积，兼具调制深度高，体积小，调制速度快的优势，可用于解决现有技术中太赫兹调制器功能单一、集成度低等问题，为太赫兹空间光调制的实用化提供了一条路径。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于太赫兹波前调制的电寻址超表面，包括：

依次排列的六层结构，分别为电极阵列板，第一取向层，液晶层，第二取向层，超表面结构层和衬底层，相邻层结构紧密贴合；

所述电极阵列板存在一万个以上的矩形电极，并且可为不同电极施加不同电势，电极的尺寸小于工作波长，并且对工作波长具有很高的反射率；

所述第一取向层和第二取向层具有相同的取向方向；

所述液晶层由液晶材料组成，通过封装固定于第一取向层和第二取向层之间；

所述超表面层附着在衬底层上，并浸没在液晶中，由阵列排布的金属单元组成，在平行于取向层的取向方向上存在间隔，在垂直方向上相互连接贯通；

所述衬底层的材料对太赫兹具有高的透过率。

可选的，所述电极阵列板中相邻电极中心点的距离为L，L＜200μm，相邻电极之间的缝隙为W，W<2μm；

可选的，所述第一取向层和第二取向层的厚度为g，g＜5μm；

可选的，所述液晶层的厚度为d，1.3＜d＜13μm；

可选的，所述液晶层的液晶材料在频率范围为0.1THz～1THz之间具备折射率变化的特性，变化范围为Δn，Δn＞0.2；

可选的，所述超表面结构层由十字形结构阵列化形成，十字结构存在两个方向，在第一方向上，相邻单元互相连接，在第二方向上，相邻单元之间存在缝隙，所述第二方向和取向层的取向方向一致；相邻单元中心位置之间的距离为p，p＝L；

可选的，所述衬底层对太赫兹的透过率在50％以上。

本发明提供的太赫兹波前调制器工作在反射模式下，当偏振方向沿所述第二方向的太赫兹波入射到装置上时，会在所述超表面结构层的金属中引发共振，共振模式和所述液晶层中液晶的折射率相关，液晶的折射率受到所处电场大小的控制；电场大小又由超表面结构层和电极阵列板控制，其中，所述超表面结构层提供一个均匀的电势，所述电极阵列版可以提供空间变化的电势，从而实现空间强度变化的电场和空间变化的折射率分布。这里，超表面结构层既发挥了共振的作用，也充当了公共电极的角色。电磁波的反射系数受辐射损耗和吸收损耗共同影响，当共振模式变化时，辐射损耗会发生改变，从而决定了共振峰的移动，实现振幅调制。本发明实施例电极阵列板中的电极数量超过一万，具有很大的空间带宽积，可以处理足够大的信息容量，此外，该器件还具有很快的调制速度和很高的调制深度，可用于解决现有技术中太赫兹波前调制器功能单一、集成度低的技术问题，在太赫兹成像和通讯中有着极大的应用潜力。

附图说明：

图1是本发明实施例提供的一种用于太赫兹波前调制的电寻址超表面的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种电极阵列板的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种超表面结构层的示意图

图4是本发明实施例提供的一种用于太赫兹波前调制的电寻址超表面的反射率曲线随液晶折射率的变化的模拟结果；

图5是本发明实施例在不同工作频率下的反射率受液晶调制的反射率曲线模拟结果；其中，(a)为0.73THz,(b)为0.8THz下的反射率曲线。

图6是本发明实施例提供的一种用于太赫兹波前调制的电寻址超表面的制备流程示意图；

图7是本发明实施例提供的一种用于太赫兹波前调制的电寻址超表面用产生菲涅尔波带片的调制示意图；

图8是本发明实施例提供的一种用于太赫兹波前调制的电寻址超表面用产生随机照明图案的调制示意图；

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。需要注意的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时，其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者下”。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1所示为本发明实施例提供的一种用于太赫兹波前调制的电寻址超表面的结构示意图，图2是本发明实施例提供的一种电极阵列板的平面结构示意图；图3是本发明实施例提供的一种超表面结构层的平面示意图。参考图1，本发明实施例提供的一种用于太赫兹波前调制的电寻址超表面一共包含六层结构，从上至下依次为电极阵列板10，第一取向层20，液晶层30，第二取向层50，超表面结构层60和衬底层70。本发明实施例中衬底材料为石英，L＝120μm，W＝2μm，p＝120μm；电极阵列板中的电极之间存在狭小的缝隙，每一个电极都通过缝隙中的布线与外部控制电路相连接，并可以独立进行控制，填充因子定义为η＝L/(W+L)，可以达到98％以上。可以理解的是，图2中电极阵列板包括12个电极仅是示意性的，通过现有的制作工艺，电极的数目可以达到一万以上，以实现足够大的信息处理能力。超表面层由十字金属周期性排列组成，金属层的厚度约为300nm，在x和y方向上的周期均为p，大小和电极阵列板的周期L相等。十字形在x方向是劈裂的，在y方向上是相互连接贯通的，这样可以使超表面结构层起到双重作用，一方面，超表面起到公共电极的作用，通过y方向上的连接线对整个结构提供一个相同的电势，和电极阵列板一同为液晶层提供电压；另一方面，以x偏振入射的电磁波可以在劈裂的结构上引发共振。第一取向层和第二取向层的厚度约为40nm，两者的取向方向相同，这里约定沿x方向，取向层的方向可以用于设定液晶分子40初始状态下的指向。液晶层的厚度在1.3～13μm之间，在本发明实施例中，液晶层的厚度为5μm。衬底层选择对太赫兹高透的材料即可，在本发明实施例中，列举了石英衬底材料上十字形超表面金属单元的结构，在合理的参数设置下，其它衬底材料或金属单元形状可以实现类似的调制效果。例如，衬底材料为硅，超表面层中金属单元为椭圆形等。

本实施例提供的一种用于太赫兹波前调制的电寻址超表面的工作原理为：

当x方向偏振的太赫兹波入射时，会在超表面层结构中产生共振，在共振位置处会被大量吸收，反射率低，此时，存在两种损耗，分别为欧姆损耗和辐射损耗，当欧姆损耗等于辐射损耗时，反射率等于0，太赫兹被全部吸收。另一方面，当给液晶施加电压时，液晶分子会在x-z平面内发生旋转。由于液晶分子存在双折射率，当液晶分子旋转时，对于x偏振的太赫兹而言，相当于折射率发生了改变。由于共振效应和超表面所处的环境折射率密切相关，导致共振位置发生移动，当共振的品质因子足够高且共振位置移动的范围足够大时，就可以实现明显的振幅调制。图4为本发明实施例提供的一种以石英为基底用于太赫兹波前调制的电寻址超表面的反射率曲线随液晶折射率变化的模拟结果；图5是图4中在0.73TH和0.8THz频率下的反射率受液晶的调制曲线；可以发现反射率的调制范围约为0～0.9，具有很高的调制深度。当衬底为硅时，有类似的调制效果。通过连续改变偏置电压，可以使共振位置产生连续的移动，反射率可以连续改变。

在上述技术方案的基础上，参照图2，可选的，电极阵列板中相邻电极中心点的距离为L，L＜200μm，相邻电极之间的缝隙为W，W<2μm，在0.1～1THz频段内，电极的尺寸小于工作波长，这有效的避免了高级次衍射的产生；可选的，第一取向层和第二取向层的厚度为g，g＜5μm，当取向层的厚度足够小时，不会破坏超表面结构共振效应对液晶的依赖关系；此外，为了满足足够快的调制速度以及对超表面结构层的影响力，可选的，液晶层的厚度应当1.3～13μm之间；参照图4，当液晶材料双折射效应越大时，调制深度和工作带宽都会有所提升，可选的，液晶材料在0.1THz～1THz频段内折射率变化范围为Δn，Δn＞0.2；在本发明实施例中，可选的，超表面的结构单元为十字形，本领域普通技术人员可以理解，任何在y方向连通，在x方向可引发共振的图形结构都是可行的。对于衬底层，主要起支撑作用，应当使太赫兹无损通过，可选的，衬底层对太赫兹的透过率应当在50％以上。

图6为本发明实施例提供的一种用于太赫兹波前调制的电寻址超表面的制备流程示意图；一共分为五步S01～S05，步骤S01：利用成熟的工艺制作电极阵列板，电极大小一方面要满足工作波段的要求，一方面应尽可能与流水线制程匹配；步骤S02：在衬底层上刻蚀金属超表面结构，超表面结构层的大小应当与电极阵列板的大小一致；步骤S03：在电极阵列板和金属超表面上制作取向层并进行取向，注意取向方向应当与金属结构劈裂方向相同；步骤S04：将金属超表面和电极阵列板相对对准并固定，并调整好间隔厚度；步骤S05：在金属超表面和电极阵列板之间灌注液晶并进行封装。

图7和图8为本发明实施例提供的一种用于太赫兹波前调制的电寻址超表面的两个应用示例，分别用于产生菲涅尔波带片和随机照明图案；菲涅尔波带片可用于光线的聚焦，功能类似透镜，通过改变图案沿径向的强度变化周期可以改变焦距的大小从而对不同平面图像成像。随机照明图案可用于计算单像素成像中，例如生成哈达玛矩阵等。

本发明实施例公开了一种用于太赫兹波前调制的电寻址超表面。该器件具有一万个以上的独立电极，可以在亚波长尺度下对太赫兹波的振幅进行调制，具有很高的空间带宽积，兼具调制深度高，体积小，调制速度快的优势，可用于解决现有技术中太赫兹调制器功能单一、集成度低等问题，在太赫兹成像以及通讯等方面有着极大的应用潜力，而且该制备方法简便、高效、廉价、可批量生产，器件性能稳定，各项指标均达到太赫兹光子器件的实用要求。

Claims (8)

1.一种用于太赫兹波前调制的电寻址超表面，包括：依次贴合的六层结构，分别为电极阵列板，第一取向层，液晶层，第二取向层，超表面结构层和衬底层；所述液晶层通过封装固定于第一取向层和第二取向层之间；所述超表面结构层附着在衬底层上；所述第一取向层和第二取向层具有相同的取向方向；其特征在于，所述电极阵列板由至少一万个电极构成，各电极的尺寸小于工作波长，并且对工作波长具有90%以上的反射率；

所述超表面结构层由阵列排布的金属单元组成，各金属单元在所述的第一取向层和第二取向层的取向方向存在间隔，在所述的第一取向层和第二取向层的取向方向的垂直方向贯通；

所述超表面结构层提供一个均匀的电势，所述电极阵列板中的每一个电极独立给定电势，所述电极阵列板提供空间变化的电势，从而实现空间强度变化的电场和空间变化的折射率分布。

2.根据权利要求1所述的用于太赫兹波前调制的电寻址超表面，其特征在于，不同电极可施加不同电势或相同电势。

3.根据权利要求1所述的用于太赫兹波前调制的电寻址超表面，其特征在于，所述电极阵列板中相邻电极中心点的距离为L，L＜200μm，相邻电极之间的缝隙为W，W<2μm。

4.根据权利要求1所述的用于太赫兹波前调制的电寻址超表面，其特征在于，所述第一取向层和第二取向层的厚度为g，且g＜5μm。

5.根据权利要求1所述的用于太赫兹波前调制的电寻址超表面，其特征在于，所述液晶层的厚度为d，且1.3＜d＜13μm。

6.根据权利要求1所述的用于太赫兹波前调制的电寻址超表面，其特征在于，所述液晶层的液晶材料在频率范围为0.1THz～1THz之间具备折射率变化的特性，变化范围为Δn，且Δn＞0.2。

7.根据权利要求3所述的用于太赫兹波前调制的电寻址超表面，其特征在于，所述超表面结构层中各金属单元为十字形结构，该十字形结构存在两个方向，在第一方向上，相邻单元互相连接，在第二方向上，相邻单元之间存在缝隙，所述第二方向和所述第一取向层的取向方向一致；相邻单元中心位置之间的距离为p，p=L。

8.根据权利要求1所述的用于太赫兹波前调制的电寻址超表面，其特征在于，所述衬底层对太赫兹的透过率在50%以上。