CN114447551B - 一种波前可控的太赫兹线偏振超构起偏器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种波前可控的太赫兹线偏振超构起偏器件，涉及新型人工电磁材料和太赫兹科学技术领域，包括：衬底层和与衬底层的一表面固定连接的结构层。在线偏振波起偏的同时实施波前操控，结构简单，尺寸小，解决了现有太赫兹波段的线偏振起偏器制造工艺复杂、价格昂贵、体积大且不易集成的问题。
Description
技术领域
本发明涉及新型人工电磁材料和太赫兹科学技术领域，具体涉及一种波前可控的太赫兹线偏振超构起偏器件。
背景技术
传统运用于太赫兹波段的线偏振起偏器是通过在电磁穿透性优良的聚合物中植入金属线栅而制得的。这种太赫兹起偏器的制造工艺复杂，价格昂贵，体积大且不易集成，其关键技术和市场也均由国外把控。
基于超表面的太赫兹超构器件具有强大的太赫兹偏振操控能力，且易于集成应用，是新一代太赫兹偏振器的有力候选者。然而，目前太赫兹超构器件仅能实现两个特定偏振态之间的转换，即要求入射波必须是特定偏振波。换句话说，直接从非偏振太赫兹波中产生偏振太赫兹波的超构起偏器件还未诞生。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种波前可控的太赫兹线偏振超构起偏器件解决了现有太赫兹波段的线偏振起偏器制造工艺复杂、价格昂贵、体积大且不易集成的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种波前可控的太赫兹线偏振超构起偏器件，包括：衬底层和与衬底层的一表面固定连接的结构层；
所述结构层由周期性排布的M个相同的结构单元组成；
所述结构单元由N组横向排布的不同尺寸的超构双原子组成；
所述超构双原子包括45°倾倒的第一矩形超构原子和位于第一矩形超构原子正下方的竖直的第二矩形超构原子；
M、N均为正整数。
进一步地，所述超构双原子的整体琼斯矩阵J满足下式：
其中，参数矩阵
cos(·)为余弦函数，sin(·)为正弦函数，e为自然常数，i为虚数标识，
为全局相位，JA为第一矩形超构原子的琼斯矩阵，JB为第二矩形超构原子的琼斯矩阵。
进一步地，所述结构单元内横向排布的各组超构双原子的全局相位满足公差为2π/N的等差关系。
进一步地，所述N的值为8。
进一步地，所述衬底层的厚度为300μm。
进一步地，所述结构层的厚度为200μm。
进一步地，所有的第一矩形超构原子和第二矩形超构原子的横向周期常数和纵向周期常数均为160μm。
本发明的有益效果为：
1)非偏振波可以看成是无数偏振波的无规则集合，而任意偏振波均可分解成x和y分量，本发明基于了允许任意偏振波中的一个线偏振分量通过而完全阻挡另一个垂直线偏振分量的工作机制，能够从非偏振太赫兹波中直接产生线偏振太赫兹波。
2)本发明在线偏振波起偏的同时实施波前操控，结构简单，尺寸小，解决了现有太赫兹波段的线偏振起偏器制造工艺复杂、价格昂贵、体积大且不易集成的问题。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种波前可控的太赫兹线偏振超构起偏器件的结构图；
图2(a)为超构双原子结构示意图，(b)为超构双原子在x、y线偏振波输入时同极化分量和交叉极化分量的输出效率曲线，(c)为超构双原子在任意偏振波输入时，1THz处输出x和y分量的效率；
图3(a)为本发明实施例的结构单元示意图，(b)为1THz处结构单元各超构双原子透射幅度，(c)为结构单元各超构双原子全局相位值；
图4为本发明实施例的波前可控的太赫兹线偏振超构起偏器件的波前操控功能示意图；
其中附图标记为：1、结构层；2、衬底层；1-1、结构单元；1-1-1、超构双原子；1-1-1-1、第一矩形超构原子；1-1-1-2、第二矩形超构原子。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，在本发明的一个实施例中，一种波前可控的太赫兹线偏振超构起偏器件，包括：衬底层2和与衬底层2的一表面固定连接的结构层1。
结构层1由周期性排布的M个相同的结构单元1-1组成；结构单元1-1由N组横向排布的不同尺寸的超构双原子1-1-1组成。
超构双原子1-1-1包括45°倾倒的第一矩形超构原子1-1-1-1(如图2(a)所示，底边相对于坐标系x-y倾倒45°)和位于第一矩形超构原子1-1-1-1正下方的竖直的第二矩形超构原子1-1-1-2。
M、N均为正整数。在本实施例中，N的值为8，即结构单元1-1由8组横向排布的不同尺寸的超构双原子1-1-1组成。
超构双原子1-1-1的整体琼斯矩阵J满足下式：
其中，参数矩阵
cos(·)为余弦函数，sin(·)为正弦函数，e为自然常数，i为虚数标识，
为全局相位，JA为第一矩形超构原子1-1-1-1的琼斯矩阵，JB为第二矩形超构原子1-1-1-2的琼斯矩阵。
同一组超构双原子1-1-1中的两个矩形超构原子均有一个相同的全局相位，而同个结构单元1-1的不同的超构双原子1-1-1具有不同的全局相位。结构单元1-1内横向排布的各组超构双原子1-1-1的全局相位满足公差为2π/N的等差关系。在本实施例中，公差为π/4，由此，在图2(a)中，结构单元1-1内被标记为U1至U8的8个超构双原子1-1-1的全局相位依次为：0、π/4、π/2、3π/4、π、5π/4、3π/2和7π/4。
本实施例中，衬底层2和结构层1均采用高阻硅材料(介电常数ε＝11.9)，衬底层2的厚度为300μm，结构层1的厚度为200μm，所有的第一矩形超构原子1-1-1-1和第二矩形超构原子1-1-1-2的横向周期常数和纵向周期常数均为160μm。
全局相位依靠超构双原子1-1-1的尺寸进行调整，由于矩形超构原子尺寸与相位的关系是现有技术，本实施例不再赘述。
本实施例各超构双原子1-1-1中具体的尺寸如表1所示。图3(a)和表1中，A表示第一矩形超构原子1-1-1-1，B表示第二矩形超构原子1-1-1-2，p为第一矩形超构原子1-1-1-1和第二矩形超构原子1-1-1-2的周期常数(横向周期常数和纵向周期常数相等)，长度参数l和w的具体指代如图2所示。
表1结构单元中各超构双原子尺寸
本实施例采用的上述材料、结构和尺寸，使本实施例的波前太赫兹线偏振超构起偏器件工作中心频率为1THz。超构双原子1-1-1在x、y线偏振波输入时同极化分量和交叉极化分量的输出效率曲线如图2(b)所示；在任意偏振波输入时，1THz处输出x和y分量的效率如图2(c)所示。结构单元各超构双原子1-1-1透射幅度和全局相位值分别如图3(b)和图3(c)所示。
图4演示了同步波前操控，将八组超构双原子1-1-1对应到0-2π的相位轮廓排列，不仅可以确保从入射的非偏振太赫兹波中产生x偏振输出波，且x偏振波的等相位面产生倾斜，表明实现波束偏折。
综上所述，本发明基于多组超构双原子，提出一种可从非偏振太赫兹波中直接产生线偏振太赫兹波并同步实施波前操控的超构器件。由于非偏振波可以看成是无数偏振波的无规则集合，而任意偏振波均可分解成x和y分量，该器件的工作机制实质上是允许任意偏振波中的一个线偏振分量通过而完全阻挡另一个垂直线偏振分量。
本发明还可依据不同的相位分布要求，在线偏振波起偏的同时实施用户可定制的波前操控。结构简单，尺寸小，解决了现有太赫兹波段的线偏振起偏器制造工艺复杂、价格昂贵、体积大且不易集成的问题。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种波前可控的太赫兹线偏振超构起偏器件，其特征在于，包括：衬底层(2)和与衬底层(2)的一表面固定连接的结构层(1)；
所述结构层(1)由周期性排布的M个相同的结构单元(1-1)组成；
所述结构单元(1-1)由N组横向排布的不同尺寸的超构双原子(1-1-1)组成；
所述超构双原子(1-1-1)包括45°倾倒的第一矩形超构原子(1-1-1-1)和位于第一矩形超构原子(1-1-1-1)正下方的竖直的第二矩形超构原子(1-1-1-2)；
M、N均为正整数；
所述超构双原子(1-1-1)的整体琼斯矩阵J满足下式：
其中，参数矩阵
cos(·)为余弦函数，sin(·)为正弦函数，e为自然常数，i为虚数标识，
为全局相位，JA为第一矩形超构原子(1-1-1-1)的琼斯矩阵，JB为第二矩形超构原子(1-1-1-2)的琼斯矩阵；
同一组超构双原子(1-1-1)中的两个矩形超构原子均有一个相同的全局相位，同个结构单元(1-1)的不同的超构双原子(1-1-1)具有不同的全局相位；
结构单元(1-1)内横向排布的各组超构双原子(1-1-1)的全局相位满足公差为2/N的等差关系。
2.根据权利要求1所述的波前可控的太赫兹线偏振超构起偏器件，其特征在于，所述N的值为8。
3.根据权利要求2所述的波前可控的太赫兹线偏振超构起偏器件，其特征在于，所述衬底层(2)的厚度为300μm。
4.根据权利要求3所述的波前可控的太赫兹线偏振超构起偏器件，其特征在于，所述结构层(1)的厚度为200μm。
5.根据权利要求4所述的波前可控的太赫兹线偏振超构起偏器件，其特征在于，所有的第一矩形超构原子(1-1-1-1)和第二矩形超构原子(1-1-1-2)的横向周期常数和纵向周期常数均为160μm。
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