CN115084862A - 一种太赫兹超表面双功能极化转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明请求保护一种太赫兹超表面双功能极化转换器，其太赫兹极化转换器的基本组成单元是正方形周期单元，该正方形周期单元由金属图案层1、中间介质层2和金属反射层3构成，金属图案由经典各向异性“十”字结构分形处理构成。本发明提出的结构具有很强的实用性，与传统太赫兹极化转换器相比，结构更加简单，加工可行性得到提高，且能实现双功能的极化转换效果。本发明的太赫兹极化转换器在生物传感、太赫兹成像、太赫兹通信等领域有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹器件，具体属于一种基于“十”字分形结构的太赫兹超表面双功能极化转换器，能够同时实现线交叉极化转换和线-圆极化转换的太赫兹极化转换器。
背景技术
太赫兹波主要指频率0.1-10THz、介于微波与红外辐射之间的电磁波。太赫兹波段处于电磁波谱中一个非常特殊的位置，具有很多独特的性质，例如光子能量低、穿透性强、方向性好等特性，使得太赫兹波在安全检查、环境监测、军事通信、天文观测等领域具有非常重要的应用前景。特别在成像、传感等领域具有很大的发展潜力，是未来电磁学的一个重要研究方向。
太赫兹极化转换器是能够对入射太赫兹波的极化状态进行变换的器件，主要的原理是利用超表面的特殊机制，改变太赫兹波相互垂直两方向上分量的幅值和相位值，使其分别满足线极化波与圆极化波所要求的幅值和相位条件。太赫兹极化转换器根据极化转换效果的不同可以分为太赫兹线交叉极化转换器和太赫兹线-圆极化转换器，两种太赫兹极化转换器均在太赫兹通信、检测和成像方面有广泛的应用。目前存在的太赫兹极化转换器极化转换功能比较单一，只能实现单一的极化转换功能，实现多功能的高效率的极化转换性能仍然是一个具有挑战性的工作。
超表面作为超材料的二维等价物，因其具有负折射率、类电磁诱导透明效应和非线性效应等特性，被广泛应用与电磁波幅值与相位的调节工作中，因此利用超表面结构实现太赫兹波的极化状态的改变成为现实。相比于传统极化转换器主要利用双折射效应、法拉第效应实现对电磁波极化状态的改变，存在转换效率低，体积大、不易集成等缺点。利用超表面结构实现的极化转换器，具有体积小，易集成及转换性能高等优点。
本文所述发明与CN109449545A中所述太赫兹变换器最主要的区别为，本文所述太赫兹双功能极化转换器可以在不同频带上实现不同类型的极化转换功能，即在低频带可以实现线-圆极化转换，在高频实现了线交叉极化转换；而CN109449545A中所述发明实现了太赫兹吸波和极化转换功能的动态切换，且器件层数为5层，其中两层为石墨烯层，加工难度与成本较大。本文所述器件只有三层(两层金属层与一层介质层)，且为无源器件，加工成本低且易于集成。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种太赫兹超表面双功能极化转换器。本发明的技术方案如下：
一种太赫兹超表面双功能极化转换器，其由若干个亚波长周期单元呈周期排列组合而成，每个亚波长周期单元为三层结构，由上至下分别是金属图案层、介质层及金属反射层，金属图案层用于对入射太赫兹波产生谐振，并与太赫兹波发生阻抗匹配，使太赫兹波在不同方向上产生不同类型的感应电场，介质层用于产生太赫兹波在器件内部的相位累积，从而产生满足极化转换效果的要求，金属反射层用于反射透过介质层的太赫兹波，使整个器件形成一个多重干涉腔模型，实现高效率的极化转换。“十”字形结构为常用的各向异性结构，各向异性结构对太赫兹波极化状态的转换类似与双折射材料，太赫兹波在各向异性材料中传播时不同方向上有不同的折射率n+和n-，太赫兹波在媒介中的传播速度由折射率决定,传播速度v＝c/n，其中c为光速，n为折射率。当太赫兹波在各向异性介质中传播一段距离后，不同方向上就会产生相位差Δφ＝2πΔnL/λ0,其中L为太赫兹波在各向异性材料中传播的距离，λ0为真空波长，Δn＝n+-n-,通过调节不同方向上的结构参数，实现满足极化转换条件的相位累积。为了满足在不同频带上产生不同类型的极化转换的要求，需要器件在不同频带上同时产生谐振，分形结构常用于超表面、天线等结构的多谐振设计中，故所述极化转化器对经典“十”字结构进行了分形处理，得到金属图案层的形状为“十”字分形结构，所述分形结构由一个内部小“十”字结构分形成为位于两侧的大“十”字结构组成。
进一步的，所述内部小“十”字结构轴宽度为10～14μm，长度为40～44μm；短轴宽度为6～8μm，长度宽度为40～50μm；外部两侧分形十字结构为一个大“十”字结构沿长轴中心分裂得到，大“十”字结构长轴宽度为14～18μm，长度为75～85μm；短轴宽度为10～14μm。以上参数的数值保证了金属图案层在各个方向上的各向异性，使太赫兹波在传输过程中在不同方向上同时产生谐振。
进一步的，所述的金属图案层，材料为金、银、铜中的一种，厚度为0.1～0.3μm，电导率为4.561×107S/m。金属图案层厚度的设置保证了金属图案层可以与入射太赫兹波产生阻抗匹配以及极化转换效果。
进一步的，所述中间介质层为正方形，其周期边长为100～110μm。周期边长的设置保证了器件能够在0.1-1.2THz频段中发生谐振。
进一步的，所述中间介质层材料为聚酰亚胺、罗杰斯系列、熔融石英中的一种。所述介质层材料均为对太赫兹波损耗较小，且在市面上常见，容易加工的介质材料。
进一步的，所述中间介质层的介电常数为3.0～4.0，损耗正切为0.00027～0.27，厚度为45～55μm。该介质层的厚度保证了太赫兹波在器件内部传输时产生足够的相位累积。
进一步的，所述金属反射层为连续金属层。
进一步的，所述金属反射层的材料为金、银、铜中的一种，厚度为0.1～0.3μm，电导率为4.561×107S/m。金属反射层厚度设置远大于太赫兹波的趋肤深度，使得太赫兹波在介质层底部完全反射，在器件内部形成了多重干涉腔，提高了极化转换的性能。
进一步的，当y线极化太赫兹波沿-z轴方向垂直入射到太赫兹极化转换器表面时，极化转换器的极化转换率PCR可以表示为
其中rxy表示y线极化波入射的交叉极化反射系数，ryy表示y线极化波入射时的共极化反射系数。
进一步的，当y线极化波入射时，轴比
其中
为共极化反射系数和交叉极化反射系数的相位差；m表示中间变量；
椭圆率计算公式为
本发明的优点及有益效果如下：
1、本发明提出的基于“十”字分形结构的太赫兹超表面极化转换器，根据权利要求2～8所述，为三层结构，且金属图案层简单，具有结构简单，易加工，体积小，易集成的特点。
2、本结构对于太赫兹波的极化转换效果为0.1～1.2THz频段中的特定频带，在0.490～0.930THz频带内实现了线-圆极化的转换，线-圆极化转换频带由图9(a),(b)可以看到是由0.569THz和0.753THz两个谐振频点组合而来，两个频点的谐振主要由中间小“十”字以及两个大“十”字结构的长轴和短轴共同谐振耦合形成，得到的圆极化波椭圆率均在0.95以上，轴比均小于3dB，为可用圆极化波。
3、本结构同时在1.02～1.05THz完成了完美的线交叉极化转换，线交叉极化转换频带由图9(c)可以得到是由1.307THz频点产生的谐振形成，由图可以看出在该频点的谐振主要由外侧两个大“十”字发生谐振形成，得到线交叉极化转换率接近100％，线极化波椭圆率接近0。结果证明器件在不同频带上实现了不同功能的极化转换效果。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例基于“十”字分形结构的太赫兹极化转换器单元结构整体示意图。
图2为基于“十”字分形结构的太赫兹极化转换器单元的正视图与侧视图。
图3为基于“十”字分形结构的太赫兹极化转换器阵列示意图。
图4为基于“十”字分形结构的太赫兹极化转换器交叉极化和共极化反射系数曲线。
图5为基于“十”字分形结构的太赫兹极化转换器交叉极化和共极化反射系数相位及相位差曲线。
图6为基于“十”字分形结构的太赫兹极化转换器的极化转换率(PCR)曲线。
图7为基于“十”字分形结构的太赫兹极化转换器反射波轴比(AR)曲线。
图8为基于“十”字分形结构的太赫兹极化转换器反射波椭圆率(Ellipticity)曲线。
图9为根据图4得到的3个谐振点的器件表面电场分布图，(a)为0.569THz，(b)为0.753THz，(c)为1.037THz。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
本发明提出的基于“十”字分形结构的太赫兹极化转换器，其结构如图1～3所示，由单元结构周期性排列而成。
所述的单元结构为典型的三层结构，从上至下依次为金属图案层1、中间介质层2、金属反射层3。
所述的单元结构为正方形，其周期边长P＝102.0μm。
所述的金属图案层1为“十”字分形结构，其为传统“十”字结构做分形处理，图2正视图中显示了金属图案层的结构，金属图案层和金属反射层紧贴在中间介质层两侧，侧视图显示了金属图案层与反射层所处位置，类似“三明治”结构。
所述的金属图案层，如图2正视图所示，具体尺寸分别为：a＝7.5μm,b＝45μm,c＝53μm,b1＝80μm；e＝42μm.
所述的金属图案层，材料为金，电导率为4.561×107S/m，厚度为0.3μm。
所述的中间介质层，材料为聚酰亚胺，介电常数为3.5，厚度h＝50μm。
所述的金属反射层3为连续的金属层，形状为正方形。
所述的金属反射层3，材料为金，电导率为4.561×107S/m，厚度为0.3μm。
当y线极化太赫兹波沿-z轴方向垂直入射到所述基于“十”字分形结构的太赫兹极化转换器表面时，极化转换器的极化转换率(PCR)可以表示为
其中rxy表示y线极化波入射的交叉极化反射系数，ryy表示y线极化波入射时的共极化反射系数。
为了对所述基于“十”字分形结构的太赫兹极化转换器得到的太赫兹波的极化状态进一步评估，我们计算反射波的轴比(AR)曲线与椭圆率(Ellipticity)。
当y线极化波入射时，轴比
其中
为共极化反射系数和交叉极化反射系数的相位差。
椭圆率计算公式为
如图4，5所示，共极化反射系数ryy和交叉极化反射系数rxy在0.490-0.930THz频带内幅值大小接近相等，且相位差保持在90°(±180°)左右，满足了形成圆极化波的条件。而在1.02～1.05THz频带内，交叉极化系数幅值达到0.9以上，而共极化系数幅值保持0.1以下，实现了线交叉极化的转换。
由图6可以看出，基于“十”字分形结构的太赫兹极化转换器在1.02～1.05THz频带内线极化转换率接近100％，实现了完美的线极化转换。
如图7所示，在0.490～0.930THz频带内反射波轴比曲线均保持在3dB以下，均为可用圆极化波。
如图8所示，反射波的椭圆率在0.490-0.930THz频带内接近1，在1.02～1.05THz频带内约等于0，证明了反射波在两个频带内分别转换为圆极化波和线极化波。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。
Claims (10)
1.一种太赫兹超表面双功能极化转换器，其特征在于，由若干个亚波长周期单元呈周期排列组合而成，每个亚波长周期单元为三层结构，由上至下分别是金属图案层、介质层及金属反射层，金属图案层用于对入射太赫兹波产生谐振，并与太赫兹波发生阻抗匹配，使太赫兹波在不同方向上产生不同类型的感应电场，介质层用于产生太赫兹波在器件内部的相位累积，从而产生满足极化转换效果的要求，及金属反射层用于反射透过介质层的太赫兹波，使整个器件形成一个多重干涉腔模型，实现高效率的极化转换；“十”字形结构为常用的各向异性结构，各向异性结构对太赫兹波极化状态的转换类似与双折射材料，太赫兹波在各向异性材料中传播时不同方向上有不同的折射率n+和n-，太赫兹波在媒介中的传播速度由折射率决定,传播速度v＝c/n，其中c为光速，n为折射率；当太赫兹波在各向异性介质中传播一段距离后，不同方向上就会产生相位差Δφ＝2πΔnL/λ0,其中L为太赫兹波在各向异性材料中传播的距离，λ0为真空波长，通过调节不同方向上的结构参数，满足极化转换条件的相位累积；为了满足在不同频带上产生不同类型的极化转换的要求，需要器件在不同频带上同时产生谐振，分形结构常用于超表面、天线结构的多谐振设计中，故所述极化转化器对经典“十”字结构进行了分形处理，得到金属图案层的形状为“十”字分形结构，所述分形结构由一个内部小“十”字结构分形成为位于两侧的大“十”字结构组成。
2.根据权利要求1所述的一种太赫兹超表面双功能极化转换器，其特征在于，所述内部小“十”字结构长轴宽度为10～14μm，长度为40～44μm；短轴宽度为6～8μm，长度宽度为40～50μm；外部两侧分形十字结构为一个大“十”字结构沿长轴中心分裂得到，大“十”字结构长轴宽度为14～18μm，长度为75～85μm；短轴宽度为10～14μm。
3.根据权利要求1所述的一种太赫兹超表面双功能极化转换器，其特征在于，所述的金属图案层，材料为金、银、铜中的一种，厚度为0.1～0.3μm，电导率为4.561×107S/m。
4.根据权利要求1所述的一种太赫兹超表面双功能极化转换器，其特征在于，所述中间介质层为正方形，其周期边长为100～110μm。
5.根据权利要求4所述的一种太赫兹超表面双功能极化转换器，其特征在于，所述中间介质层材料为聚酰亚胺、罗杰斯系列、熔融石英中的一种。
6.根据权利要求4或5所述的一种太赫兹超表面双功能极化转换器，其特征在于，所述中间介质层的介电常数为3.0～4.0，损耗正切为0.00027～0.27，厚度为45～55μm。
7.根据权利要求1所述的一种太赫兹超表面双功能极化转换器，其特征在于，所述金属反射层为连续金属层。
8.根据权利要求7所述的一种太赫兹超表面双功能极化转换器，其特征在于，所述金属反射层的材料为金、银、铜中的一种，厚度为0.1～0.3μm，电导率为4.561×107S/m。
9.根据权利要求7所述的一种太赫兹超表面双功能极化转换器，其特征在于，当y线极化太赫兹波沿-z轴方向垂直入射到太赫兹极化转换器表面时，极化转换器的极化转换率PCR可以表示为
其中rxy表示y线极化波入射的交叉极化反射系数，ryy表示y线极化波入射时的共极化反射系数。
10.根据权利要求9所述的一种太赫兹超表面双功能极化转换器，其特征在于，当y线极化波入射时，轴比
其中
为共极化反射系数和交叉极化反射系数的相位差；m表示了中间变量；
椭圆率计算公式为
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