CN115167026A - 一种可调谐多模双频高效率反射型偏振转换器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于液晶的太赫兹波段可调谐多模双频高效率反射型偏振转换器件它由周期性单元结构组成，每个单元结构由精确的顶层结构、LC混合物和金反射基底组成。在对应的液晶混合物折射率
Figure DDA0003782202630000011
和
Figure DDA0003782202630000012
数值模拟显示在对应的工作带宽1.03‑1.53以及1.27‑1.86太赫兹，转换器可以将入射的线性偏振波和圆偏振波转换为其相应的交叉极化波，其偏振转换率大于90％。需要提及的是，该偏振转换器可实现1.10‑1.25和1.92‑2.2THz或0.93‑1.04和1.57‑1.88THz的双频段线性偏振波向圆偏振波的转换，相对应的轴比小于3dB。另外还分析了转换器对于入射角的不敏感性，以及研究了偏振转换的物理机理。

Description

一种可调谐多模双频高效率反射型偏振转换器件
技术领域
本发明属于偏振转换器设计技术领域，具体涉及一种基于液晶的太赫兹波段可调谐多模双频高效率反射型偏振转换器件。
背景技术
在过去的20年里，超材料因表现出非凡的电磁特性而引起了研究人员的广泛关注。作为一种由亚波长金属或介电结构组成，并且以周期性方式排列的人造块体结构，超材料通过与入射电磁波的电场共振耦合，产生了突破性的电磁和光子现象。然而，由于高损耗、与共振响应相关的强色散以及纳米级3D结构的制造难度，使得超材料在实际应用中依然存在许多挑战。正因如此，许多研究人员将研究重点放在单层或少层的平面结构上，这些结构被称为超构表面。作为块体超材料的二维等效物，超构表面很好的保留了超材料的所有优点，通过电磁波与超构表面结构单元及其功能排列之间的相互作用，表现出惊人的波前操纵能力。亚波长尺度的超表面和周期性平面阵列由于其无与伦比的特性，在操纵电磁波方面发挥着重要作用。光学超表面自2011年被Capasso团队提出以来，由于其具有垂直集成和设计灵活性的特点，符合当前器件小型化和系统集成化的需求，在通信、遥感及信息安全等领域开辟了广阔的应用机会。超表面由于具有低损耗和超薄厚度等特点，在电子对抗和卫星通信中表现出惊人的优势，在电磁波的偏振操纵中引起了极大的关注。与体积较大的超材料相比，超表面在控制电磁波的偏振方面表现出高效率、低损耗和超薄厚度等优异性能。因此，超表面的许多应用已被提出，例如偏振转换、波前操纵和完美吸收等。
近十年来，研究者们已经提出了许多极化转换器的相关研究。例如，Sun等人(H.Sun,C.Gu,X.Chen,Z.Li,L.Liu,andF.Martín,“Ultra-widebandandbroad-anglelinearpolarization conversionmetasurface,”J.Appl.Phys.,vol.121,no.17,p.174902,May2017.)提出了一种线性极化变换器，可以完成交叉极化转换并保持中等的转换效率。Han等人(B.Han,S.Li,X.Cao,J.Han,L.Jidi,andY.Li,“Dual-bandtransmissivemetasurface withlineartodual-circularpolarizationconversionsimultaneously,”AIPAdv.,vol.10,p.125025,Dec.2020.)提出了一个偏振转换器，效率很高，但它只能在较窄的GHz频率范围内工作，并且它只将线性偏振(LP)波转换为圆偏振(CP)波。此后，超表面的可调谐性成为研究热点。Yi等人(N.Yi,R.Zong,R.Qian,andT.Duan,“Graphene-BasedDual-FunctionSwitchable BroadbandTerahertzPolarizationConverter,”Laser Optoelectron.Prog.,vol.58,no.11,p.2323001,2021.)提出了一种双功能可切换极化转换器，它在1.7-3.4THz通过调谐石墨烯的化学势将LP波转换为CP或其交叉偏振波，从而同时保持偏振转换比(PCR)>80％。然而，其工作频段无法调谐，效率也不那么理想。R.M.H.等人(R.M.H.Bilal,M.A.Baqir,P.K.Choudhury,M.M.Ali,andA.A.Rahim,“Onthespeciallydesignedfractal metasurface-baseddual-polarizationconverterintheTHz regime,”ResultsPhys.,vol.19,p.103358,2020,doi:https://doi.org/10.1016/j.rinp.2020.103358.)提出了一种太赫兹波段偏振转换器，可实现线偏波的交叉极化转换和线偏波到圆偏波(LTC)的极化转换。遗憾的是，上述两款变换器无法调整工作带宽或功能，限制了其实际应用。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明设计了一种基于液晶(LC)的太赫兹波段可调谐多模双频高效率反射型偏振转换器件；该发明基于超构表面来实现对入射光的偏振进行操纵，在不同的工作频段进行工作，根据入射波的偏振态进行相应的偏振操纵，实现了多种偏振转换功能的集成，并且可以实现工作频段的改变，为设计超构表面提供了一种新的思路，降低了超构表面的使用门槛，为超构表面在实际应用中的使用开拓了道路，有效降低了成本；因此，该发明不仅符合了当前对日益增长的器件小型化和系统集成化的需求，也为更进一步研究偏振转换的其他方式及相关应用提供了新的思路。
为了达到上述技术目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于液晶的太赫兹波段可调谐多模双频高效率反射型偏振转换器件，其中所设计的超构表面单元结构为反射型三层结构，所述反射型三层结构分别是：金反射层、介质层、顶层；其中最下层为金反射层，中间为介质层，最上层为顶层；
优选的，所述顶层设计为十字型结构，固定在主轴相对于X轴为-45°的位置；
优选的，所述介质层为两片氧化铟锡透明电极包裹的液晶层；
优选的，所述顶层十字型的金结构相应的参数为l1＝68μm,l2＝50μm,w1＝25μm,w2＝12μm；
优选的，所述超构表面单元结构周期为p＝100μm；
优选的，所述介质层的厚度为t2＝20μm，金反射层的厚度为t3＝0.2μm。
本发明的有益效果是：
1)本发明工作在太赫兹波段，并且可以工作在双频段，可以经由偏置电压调节工作的频段，有效降低了超表面的应用成本。
2)本发明可以实现对电磁波偏振的多功能转换，在相应工作频段内可以实现线偏振、圆偏振到其相应交叉极化的转换，以及在相应频段实现线偏振到圆偏振的转换。
3)超表面的偏振转换效率在所有工作频段内都比较高，并且具有对斜入射的不敏感性，对于实际应用具有相当大的意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明基于LC可调偏振转换示意图；(a)超表面的单元结构；(b)整个超表面的总体示意图；
图2是不同偏振波在LC混合物折射率下的反射系数和效率；x偏振和y偏振入射波的(a)幅度光谱，(c)偏振转换率(PCR)，(e)相位差；LCP和RCP入射波的(b)幅度光谱，(d)偏振转换率(PCR)，(f)相位差；
图3是x偏振入射波至超表面——LC混合物不同折射率下的(a)椭圆度和(b)轴比；
图4是PCR光谱与频率和入射角、折射率的关系；(a)和(b)表示x偏振入射波，(c)和(d)表示LCP入射波；
图5是超表面单元结构的两个金属层上的表面电流和相位分布；x偏振波在(a)1.37THz和(b)1.17THz时的表面电流分布；LCP入射的(c)x-和(d)y分量的相位分布；
图6是偏振转换率(PCR)作为工作频率和折射率的函数；(a)x极化入射波，(b)LCP入射波，以及(c)LC材料的厚度变化。
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于液晶的太赫兹波段可调谐多模双频高效率反射型偏振转换器件，其中所设计的超构表面单元结构为反射型三层结构，所述反射型三层结构分别是：金反射层、介质层、顶层；其中最下层为金反射层，中间为介质层，最上层为顶层；
优选的，所述顶层设计为十字型结构，固定在主轴相对于X轴为-45°的位置；
优选的，所述介质层为两片氧化铟锡透明电极包裹的液晶层；
优选的，所述顶层十字型的金结构相应的参数为l1＝68μm,l2＝50μm,w1＝25μm,w2＝12μm；
优选的，所述超构表面单元结构周期为p＝100μm；
优选的，所述介质层的厚度为t2＝20μm，金反射层的厚度为t3＝0.2μm。
实施例1
如图2(a)和(b)所示，对于LC混合物折射率
Figure BDA0003782202610000068
时的x或y偏振和LCP或RCP波入射情况下，交叉偏振反射系数在1.27-1.86THz时均超过0.9，而共偏振波反射系数小于0.15，这表明在该波段内可以完成交叉偏振转换。对于LC混合物的折射率
Figure BDA0003782202610000061
工作频带调谐到1.03-1.53THz。如图2(c)和(d)所示，在LC混合物的折射率
Figure BDA0003782202610000062
下，PCR在1.27-1.86THz的范围内大于0.9。当LC混合物的折射率为
Figure BDA0003782202610000063
时，偏振转换器在1.03-1.53THz下也具有高性能的特征，图2(e)绘制了LC混合物在
Figure BDA0003782202610000064
和
Figure BDA0003782202610000065
折射率下x和y偏振波入射时的相位差。可以看到相位差固定在±π——1.27-1.86THz对应于
Figure BDA0003782202610000066
以及1.03-1.53THz对应于
Figure BDA0003782202610000067
因此，所提出的结构不仅可以将LP波或CP波转换为具有良好性能的交叉极化波，而且可以通过调整LC混合物的折射率使工作带宽进行蓝移，同时维持较高的工作效率。而当偏振转换器工作在线偏振到圆偏振转换时，我们需要观察其轴比，如图3(a)所示，在LC混合物的折射率
Figure BDA0003782202610000071
下，椭圆度在1.17THz和2.09THz时达到1。根据图3(b)中的红线所示，AR在1.10-1.25THz和1.92-2.2THz时低于3dB，这表明所提出的超表面可以实现较好的LTC极化转换。此外，当通过改变外加的偏置电压调谐LC混合物的折射率为
Figure BDA0003782202610000072
时，相应频点切换至0.98THz和1.71THz，相应的工作频段变为0.93-1.04THz和1.57-1.88THz。上述分析表明，该转换器在可调谐双频段LTC极化转换中表现出优异的性能。
实施例2
在实际应用中，我们不能保证平面波总是从超表面的+z方向入射，所以我们需要考虑当平面波不能垂直入射到超表面时，超表面的偏振转换的表现和效率。因此，图4给出了PCR谱作为x和左圆偏振入射波的频率和入射角的函数以及LC混合物的折射率
Figure BDA0003782202610000073
和
Figure BDA0003782202610000074
从图4(a)中观察到，该转换器可以保持很好的极化转换性能—PCR>90％。另外，当入射角从0°变化到40°时，折射率为
Figure BDA0003782202610000075
时，工作带宽会略有下降。另外，随着入射角从40°增加到60°，工作带宽急剧变窄，但PCR仍>90％。因此，证明了转换器即使在一个大的斜角的入射角下，也具有偏振转换的功能。对于异常折射率
Figure BDA0003782202610000076
如图4(b)所示，它与普通折射率相同，唯一的区别是当入射角增加到60°时有两个工作频点。如图4(c)和(d)所示，当入射波为LCP时，当入射角增大到60°时，转换器也保持了良好的转换性能。
实施例3
为了更广义地说明所设计的超构表面的优异性能，我们需要介绍其工作机理：图5绘制了工作频率为1.37THz和1.17THz时x偏振波入射时的表面电流分布和LCP波入射时的相位分布。如图5(a)所示，在1.37THz的x偏振波入射时，顶层和底层的电流分布方向相反，这导致磁场
Figure BDA0003782202610000081
并表示磁耦合。然后，可以将
Figure BDA0003782202610000082
沿x方向和y方向分解为
Figure BDA0003782202610000083
和
Figure BDA0003782202610000084
沿x方向的部分
Figure BDA0003782202610000085
和入射电场
Figure BDA0003782202610000086
是平行的，这带来了交叉极化反射。同时，y分量
Figure BDA0003782202610000087
和
Figure BDA0003782202610000088
是垂直的，其保持相同的偏振反射。因此，入射的x偏振波转换为y偏振波。此外，如图5(b)所示，上层的电流分布与下层在1.17THz处近似正交，这可以产生圆偏振反射波。此外，该转换器还可以完成CP波交叉极化转换，因此我们接下来讨论CP转换机制。基于上述理论分析，给出了两个正交的x和y分量可以表示为：
Figure BDA0003782202610000089
Figure BDA00037822026100000810
即，LCP波伴随着
Figure BDA00037822026100000811
与同时RCP伴随着
Figure BDA00037822026100000812
在图5(c)中，x方向分量的相位分布集中在金属底层，并且近似为278°。如图5(d)所示，y方向分量的相为分布集中在上层金属层，大约是190°。
Figure BDA00037822026100000813
很接近。因此，反射波将是RCP。
此外，由于LC折射率的连续变化能力，所设计的基于LC的偏振转换器可以动态调整工作带宽。图6(a)和(b)显示了在x和左旋圆偏振光束照射下的PCR光谱和LC的折射率作为太赫兹频率的函数的图像。当折射率从
Figure BDA0003782202610000091
到
Figure BDA0003782202610000092
连续变换时，工作频带显示出随之变化的线性可调性，并且会略微变窄，但在整个LC折射率的调谐过程中，PCR保持>90％。与通过石墨烯调谐PCR的偏振转换器相比，这种工作频带可调谐的偏振转换器保持了较高的效率，其出色的性能归功于独特的LC耦合。如图6(c)所示，给出了LC厚度对PCR的影响的图谱。随着LC厚度从18μm变化到22μm，PCR保持在0.95左右，在1.28-1.72THz的频率范围内都比较稳定，PCR在两个共振频点处可以达到1。可以认为，LC混合物厚度的25％范围内的变化对PCR没有显着影响，这意味着所提出的极化转换器具有介质层厚度的不敏感性。
综上，本发明提出了一种基于液晶(LC)的太赫兹波段可调谐多模双频高效率反射型偏振转换器。它由周期性单元结构组成，每个单元结构由设计的顶层结构、LC混合物和金反射基底组成。在对应的液晶混合物折射率
Figure BDA0003782202610000093
和
Figure BDA0003782202610000094
数值模拟显示在对应的工作带宽1.03-1.53和1.27-1.86太赫兹，转换器可以将线性偏振波和圆偏振波转换为其相应的交叉极化波，其偏振转换率大于90％。同时，该偏振转换器可实现1.10-1.25和1.92-2.2THz或0.93-1.04和1.57-1.88THz的双频段线性偏振波向圆偏振波的转换，相对应的轴比小于3dB。另外还分析了转换器对于入射角的不敏感性。此外，还研究了偏振转换的物理机理。这种设计的极化转换器的超薄和紧凑特性对于EM测量，传感，太赫兹技术和6G通信中的各种应用非常有吸引力。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (6)

1.一种基于液晶的太赫兹波段可调谐多模双频高效率反射型偏振转换器件，其特征在于，其中所设计的超构表面单元结构为反射型三层结构，所述反射型三层结构分别是：金反射层、介质层、顶层；其中最下层为金反射层，中间为介质层，最上层为顶层。
2.根据权利要求1所述一种基于液晶的太赫兹波段可调谐多模双频高效率反射型偏振转换器件，其特征在于，所述顶层设计为十字型结构，固定在主轴相对于X轴为-45°的位置。
3.根据权利要求1所述一种基于液晶的太赫兹波段可调谐多模双频高效率反射型偏振转换器件，其特征在于，所述介质层为两片氧化铟锡透明电极包裹的液晶层。
4.根据权利要求1所述一种基于液晶的太赫兹波段可调谐多模双频高效率反射型偏振转换器件，其特征在于，所述顶层十字型的金结构相应的参数为l1＝68μm,l2＝50μm,w1＝25μm,w2＝12μm。
5.根据权利要求1所述一种基于液晶的太赫兹波段可调谐多模双频高效率反射型偏振转换器件，其特征在于，所述超构表面单元结构周期为p＝100μm。
6.根据权利要求1所述一种基于液晶的太赫兹波段可调谐多模双频高效率反射型偏振转换器件，其特征在于，所述介质层的厚度为t2＝20μm，金反射层的厚度为t3＝0.2μm。
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