CN114421159B - 太赫兹数字化光控编码反射阵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种太赫兹数字化光控编码反射阵。所述太赫兹数字化光控编码反射阵由衬底、金属微结构、VO2薄膜三部分构成的复合微结构阵元在二维平面周期性排列而成。其中金属微结构为正方形“田”字结构，“田”字中央嵌有正方形VO2薄膜。本发明不依赖于金属反射底板即可实现太赫兹波的反射，利用空间光调制器将激光数字化图形从编码反射面底部投影至每个阵元，以光控驱动的方式数字化独立控制每个阵元上的VO2薄膜产生相变转换，实现复合微结构阵元对太赫兹波响应的调控，进而在编码反射阵阵面实现对太赫兹波的波束重构。本发明具有易制备、损耗小、高容差性、可重构的特点，在下一代高速无线通信和雷达探测成像领域中具有潜在应用前景。

Description

太赫兹数字化光控编码反射阵
技术领域
本发明涉及一种电磁波波前调控功能性器件，特别涉及一种太赫兹波段动态可重构的编码反射阵，属于超材料以及电磁功能器件领域。
背景技术
编码超表面是一种通过在二维平面上制备亚波长尺寸的微结构阵元构成的平面阵列。根据相控阵天线原理，通过对具有不同相位响应的微结构阵元进行编码，实现对电磁波波束辐射方向的可编程调控。通过将微结构结合二极管、晶体管、液晶等开关元件或可调材料进行复合设计，利用FPGA电控调节开关元件或可调材料达到阵元相位调控的目的，使编码超表面实现对波束辐射方向的动态重构及波束扫描等功能。反射式编码超表面由“金属反射底板-衬底-微结构”构成，同时又称为编码反射阵，由于反射式阵列更容易实现360度相位周期的调控，因此反射式编码反射阵受到了广泛的关注，并将其视为第六代无线通信的候选技术。
太赫兹波指波长在0.03到3mm范围的电磁波，由于具有频谱资源丰富、大带宽、抗干扰等优点，十分利于大容量高速无线通信和超分辨雷达成像的应用。对于具有亚波长尺寸微结构的太赫兹编码反射阵需要利用微纳工艺制备。然而电控编码调控所面临的复杂馈电系统受到微纳工艺技术水平和研发成本的限制，过孔工艺和多层布线难以实现且成品率低。此外由于太赫兹波长的限制，复杂的馈电系统将引发严重的寄生耦合干扰，从而增大了器件的插损。通过电控手段对太赫兹编码反射阵的每个阵元进行独立的相位调控将受到巨大阻碍。
二氧化钒(VO2)作为一种相变材料在光、热、电、力多种外部驱动下均可实现从介质相到金属相的相变转换，对于生长在不同衬底上的VO2薄膜，在太赫兹频段的电导率变化范围在3至5个数量级，VO2薄膜结合微结构的复合设计可通过控制VO2的电导率调节微结构在太赫兹波下的谐振模式，从而实现对太赫兹波的相位调控。要解决电控方案下的各种馈电难题，可考虑利用其光驱动代替电驱动实现数字化编码控制。空间光调制器作为一种光学领域常见的器件，可用于调控光的场强实现光的数字化图形投影，在3D打印机、光刻机、投影仪等设备上被广泛采用。然而，如果直接使用空间光调制器控制编码反射面实现光控波束重构，空间光调制器会遮挡太赫兹波束反射，限制波束重构及扫描的角度范围。
发明内容
针对现有技术的缺陷和需求，本发明所要解决的技术问题是，提供一种容易制备、损耗小、高容差性、具备波束重构能力的太赫兹数字化光控编码反射阵。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，基于光控VO2相变薄膜材料，设计无金属反射底板的复合微结构阵元，构建太赫兹数字化光控编码反射阵。
所述太赫兹数字化光控编码反射阵由衬底、金属微结构、VO2薄膜三部分构成的复合微结构阵元在二维平面周期性排列而成，其特征在于，复合微结构阵元的金属微结构和VO2薄膜位于衬底表面，金属微结构为正方形“田”字结构，“田”字中央的金属断开不连通，并嵌有正方形VO2薄膜。
所述编码反射阵不包含金属反射底板，能够在不依赖于金属反射底板的情况下实现对太赫兹波的反射及编码波束调控。
所述编码反射阵基于空间光调制器将激光数字化图形投影至每个阵元，以光控驱动的方式数字化独立控制每个阵元上的VO2薄膜产生相变转换，实现复合微结构阵元对太赫兹波响应的调控。
本发明的有益效果是：
(1)本发明采用光控驱动的方式避免了电控驱动方式下复杂馈电系统所导致的工艺制备难、寄生耦合大、器件损耗大等问题。
(2)本发明所设计的复合微结构阵元对太赫兹波的相位调控具有较强的容差性，VO2薄膜厚度在误差范围内均能对太赫兹波进行稳定的相位调控。
(3)本发明借助空间光调制器实现光的数字化投影，使得基于光控驱动的反射阵具备对太赫兹波束的可编码调控能力。
(4)本发明采用无金属反射底板的反射式结构设计，将数字化光控驱动系统置于编码反射阵底部，同时不会影响编码反射阵在阵面上的波束调控行为。
附图说明
图1为基于VO2嵌入的复合微结构阵元示意图。
图2为基于VO2嵌入的太赫兹数字化光控编码反射阵示意图。
图3为VO2在不同相变状态下复合微结构的幅值和相位响应图。
图4为VO2在不同相变状态下复合微结构上电场分布图。
图5为两种编码排列下太赫兹数字化光控编码反射阵的重构波束图。
具体实施方式
考虑到实际测试环境和应用场景，我们提出了一种不依赖于金属底板的反射式阵列结构。传统的反射式阵列结构通常由复合微结构、衬底、和底部的金属反射底板构成，入射波照射至金属微结构后透过衬底经金属底板反射实现对电磁波的调控，若要通过光控驱动嵌套了VO2薄膜的复合微结构，则激光发射器与太赫兹波收发端的在空间上布置将存在冲突，激光发射器无疑会遮挡部分电磁波束的辐射。本发明为了解决这一问题，利用嵌套了VO2薄膜的复合微结构取代金属反射底板置于衬底底部，而衬底表面无任何结构，激光器可置于底部用于驱动VO2薄膜相变转换，而太赫兹波的收发端则置于另一侧，由于复合微结构在对应的工作频段内具有带阻特性，因此在实现相位响应调控的同时还能实现无底板的反射。进一步地为实现数字化光控驱动，利用空间光调制器将激光数字化图形投影至每个阵元，以光控驱动的方式数字化独立控制每个阵元上的VO2薄膜产生相变转换，实现复合微结构阵元对太赫兹波响应的调控。
如图1和图2所示，本发明中反射阵阵元包括金属微结构1、VO2薄膜2和衬底3，金属微结构和VO2薄膜位于衬底底部表面4，金属微结构为正方形“田”字结构，“田”字中央的金属断开不连通，并嵌有正方形VO2薄膜。如图2所示，通过将阵元在二维平面周期性排列，构成所述的太赫兹数字化光控编码反射阵。太赫兹波在空间坐标系+z方向照射至编码反射阵阵面5，在坐标系-z方向经空间光调制器数字化投影的激光照射至编码反射阵底部表面4。在数字化激光的投影面6，用浅色阴影表示低功率水平激光照射区域，深色阴影表示高功率水平激光照射区域。处于低功率水平激光照射区域的VO2薄膜未达到相变阈值，相变态不发生改变，该区域的复合微结构对太赫兹波的相位响应维持原始状态。高功率水平激光照射区域的VO2薄膜发生介质相到金属相的相变转换，进而使该区域的复合微结构对太赫兹波的相位响应产生改变。
所述衬底为石英、蓝宝石或云母。
所述金属微结构为金、银、铜或铝。
所述编码反射阵由M*M个复合微结构阵元构成，M大小需满足总阵列边长大于一倍波长，以符合基于相控阵原理实现反射波束重构的要求。
更具体的实施方式如下：
如图1所示，所述复合微结构阵元的衬底采用石英，其厚度为120μm，边长为200μm；正方形VO2薄膜位于衬底底部表面，厚度为200nm，边长为22μm；金属微结构重叠于VO2薄膜之上形成复合嵌套，金属材料采用金，金属微结构线条宽度均为10μm，厚度为200nm；
当VO2薄膜受到低功率水平激光照射时不会发生相变转换，处于介质相时的电导率约为20S/m；当VO2薄膜受到低功率水平激光照射时不会发生相变转换，处于金属相时的电导率约为2E+5S/m。假设太赫兹波以x极化方向的平面波形式照射至反射阵表面，图3计算了VO2薄膜处于两种状态时，复合微结构对太赫兹波的幅值和相位响应。此外为研究复合微结构的容差性，分别模拟了VO2薄膜厚度为200nm和300nm两种情况，以及太赫兹波以0度正入射和15度倾斜入射两种情况。在0度正入射下，在0.336THz时两个状态反射系数相同并且具有176°相位差，而0.34THz频点上的相位差为179°；在斜15°入射下，在0.328THz时两个状态反射系数相同并且具有173°相位差，而0.34THz频点上的相位差为183°。两种入射条件下，相位差在160°～200°范围内的工作带宽均大于70GHz，带宽内反射系数平均大于60％，最高达到75％，并且工作频段覆盖了太赫兹关键频点0.34THz，体现出了该相移单元结构在一定倾斜角度入射下的兼容性。另外由图3可见，二氧化钒厚度为200nm和300nm时的结果并无明显差异，反映了该结构对VO2薄膜生长的厚度误差同样具有良好的容差性。
对于所述的基于VO2薄膜嵌套的复合微结构阵元，VO2薄膜处于介质相和金属态相的相位差接近180°，并且具有相同反射系数的工作频点。利用这种响应特性并结合相控阵理论，将复合微结构阵元按照特定的相位分布在二维平面排列成平面阵列就可实现对反射波束的动态重构，进一步地我们通过1比特二进制编码信息化两种状态下的电磁响应特性，我们将VO2薄膜处于介质相的情况用“0”编码，金属相时则用“1”编码，在工作频段内编码“0”和“1”的相位响应接近180°相位差。对于这种数字化的映射，在信息层面上，有利于借助数字信号处理的手段实现灵活的波束重构；在物理层面上，便于利用空间光调制器在二维平面阵上进行数字化光控来产生波束重构需要的特定相位分布。
假设太赫兹入射波沿x方向极化0度正入射至编码反射面，图4为VO2在不同相变状态下复合微结构上电场分布图。对应于“0”编码时，VO2薄膜处于介质相，此时电场强度集中于“田”字内部，嵌入VO2薄膜的金属结构中央开口处场强最强；对应于“1”编码时，VO2薄膜处于金属相，此时“田”字外围左右两侧出现最强的电场分布。
图5以12×12个复合微结构构成的编码反射阵为例，反映了编码反射阵在两种编码情况下的波束重构情况。第一种编码情况中，整个阵列在横向方向以“0 0 0 1 1 1 0 00 1 1 1”进行编码排布，最终可实现双波束反射式重构；在第二种编码情况中，阵列的第1～4行和第9～12行均在横向方向以“0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0”进行编码排布，阵列的第5～8行“1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1”进行编码排布，最终可实现四波束反射式重构。图5中编码反射阵上的电场分布与图4中单个复合微结构的电场分布根据编码排布情况一一对应，体现出了编码阵列上的低寄生耦合性，复合微结构的电场分布在反射面上不受到编码排布的干扰。另外，所述的编码反射面阵元数不限于12×12，具有可扩充性；编码排布情况和波束重构能力也不限于上述两种情况，具有任意灵活性。

Claims (1)

1.太赫兹数字化光控编码反射阵，由衬底、金属微结构、VO2薄膜三部分构成的复合微结构阵元在二维平面周期性排列而成，其特征在于：
所述复合微结构阵元的金属微结构和VO2薄膜位于衬底表面，金属微结构为正方形“田”字结构，“田”字中央的金属断开不连通，并嵌有正方形VO2薄膜；
所述太赫兹数字化光控编码反射阵不包含金属反射底板，能够在不依赖于金属反射底板的情况下实现对太赫兹波的反射及编码波束调控；
基于空间光调制器将激光数字化图形投影至每个阵元，以光控驱动的方式数字化独立控制每个阵元上的VO2薄膜产生相变转换，实现复合微结构阵元对太赫兹波响应的调控；
所述空间光调制器激光源位于反射阵底部一侧，太赫兹波的收发端在反射阵顶部一侧。
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