CN117154419A - 一种基于二氧化钒的可切换多功能太赫兹极化转换器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于二氧化钒的可切换多功能太赫兹极化转换器件，极化转换器的单元结构由五层结构组成：从上到下依次为VO2‑gold谐振层、上部PI介质层、VO2薄膜层、下部PI介质层和“杠铃”形金谐振层。该太赫兹器件可以通过改变环境温度来改变VO2的相变，使该极化转换器在透射线‑圆极化转换、反射线‑圆极化转换和反射线‑线极化转换三种功能之间进行切换，实现主动控制的目的；在太赫兹相关技术领域具有较大的应用前景，丰富太赫兹调控和功能器件，推动太赫兹技术的发展。
Description
技术领域
本发明涉及电磁超材料领域，具体涉及一种基于二氧化钒的可切换多功能太赫兹极化转换器件，可以实现多种极化转换效果。
背景技术
太赫兹（Terahertz，简称THz）波位于电子学和光子学的过渡区域，在电磁波谱中位于微波与红外之间（0.1~10THz）。独特的频谱位置使得THz波具有微波穿透能力和光学成像功能，同时还表现出许多微波和红外波段不具有的电磁特性，如宽带性、相干性、瞬态性以及较低的光子能量。
极化是电磁波的本质属性之一，电磁波可以通过极化加载更为丰富的信息，并且随着5G和6G通讯技术的发展，对电磁波携带信息的能力要求愈来愈高，因此极化转换器件具有非常广阔的应用前景。传统的极化转换器大多数利用材料本身在传播方向上弱极化响应的累积来制备，包括晶体中的各向异性效应、布鲁斯特角效应和磁光介质法拉第效应等，然而这些器件的巨大厚度严重阻碍了光学系统的小型化和集成化发展，并且复杂的外围设备更加限制了其在现代光学系统中的应用。
超材料是一种人工设计的新型电磁材料，其结构一般由亚波长尺寸的周期阵列单元构成，拥有许多不同于自然界中常规材料的超常物理特性。超材料并不是一种新的材料形态，而是对自然界中的常规材料进行人工的组合设计，以实现独特的物理特性，如负折射、电磁隐身等，这是一种全新的设计理念，给人们对于材料的传统的思维方式带来了很大的转变。
近年来，随着技术的进步，被动式超材料结构已经不能满足当前的应用要求，极化转换器件也逐步向多功能可调谐的主动式方向发展，将可调谐以及多样化的功能集成到单个超材料结构已成为一个新兴的研究领域。目前研究场景较为普遍的是，在结构设计的过程中引入各种各样的可变材料（VO2、GST、Graphene等），通过改变相应的环境参数控制材料的性质以实现对超材料响应特性的主动控制。其中，二氧化钒（VO2）因其较易实现的相变温度而被广泛地应用到各类主动控制的超材料结构设计当中，二氧化钒在低温（室温）条件下属于绝缘的单斜晶体结构，此时呈现出无损耗的透射特性以及极小的电导率，随着温度的逐渐升高并超过68℃的相变临界温度，此时二氧化钒的透射系数急剧下降，电导率则迅速升高，属于金属四方晶系结构。二氧化钒从绝缘态到金属态之间的可逆相变效应使得其成为实现温控主动调制功能的极佳选择。
发明内容
本发明提供了一种基于二氧化钒的可切换多功能太赫兹极化转换器件，本发明旨在利用尽可能简单且有效的超材料结构设计和相变材料二氧化钒实现一种温控太赫兹多种极化转换功能，利用二氧化钒的温控相变特性，可以使器件工作频率在透射和反射之间、线极化和圆极化之间进行切换，以满足更加复杂的应用场景。
为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：
一种基于二氧化钒的极化状态调控太赫兹器件，所述器件由五层复合结构组成，从上到下为VO2-gold谐振层、上部PI介质层、VO2薄膜层、下部PI介质层和最下面的“杠铃”形金谐振层。VO2-gold谐振层是金和相变材料二氧化钒组成的短截线和双开口谐振环复合超表面。
其中，由于中间连续的VO2薄膜层将超材料分为正向和反向。转换器结构有正向透射，正向反射、和反向反射三种工作模式，通过控制温度改变VO2的电导率和入射面，可以自由切换各种功能。
其中，极化多功能器件的周期为P＝30μm。
其中，底部的“杠铃”形谐振层材料为金，厚度为0.2μm。
其中，上部介质层和下部介质层材料为聚酰亚胺，厚度分别为9μm、14μm。
其中，中间的反射薄膜材料为二氧化钒，厚度为1μm。
其中，顶部的复合超表面层材料为金和二氧化钒，厚度为0.2μm。
其中，所述短截线两端VO2部分长度为8.5μm，中间金的部分长度为19μm，宽均为1.5μm。双开口谐振环半径为12.5μm、宽度为1.5μm，二氧化钒的开口宽度为14μm。
其中，所述“杠铃”形谐振层竖条的长度为32μm，宽度为1.3μm；横条的长度为11μm，宽度为1μm，两横条之间的距离为20.3μm。
其中，所述短截线和双开口谐振环全部沿45°角对称。
进一步地，所述超材料微结构的电磁响应特性是由三维电磁仿真软件(CSTMicrowave Studio)仿真。。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、本发明的超材料结构是有源可控的，通过改变温度可以实现二氧化钒由绝缘态到金属态的可逆相变，从而实现器件多种功能的切换。
2、当二氧化钒为绝缘态时，在4.20～4.90THz范围内转换器实现透射线-圆极化转换。
3、当二氧化钒为金属态时，可分为正向和反向反射模式，在正向反射模式时，为线-圆极化转换，x极化波分别在2.08～2.80 TH和4.00～5.62 THz处实现线极化到左旋圆极化和右旋圆极化的转换；而在反向反射模式时，转换器在 2.55～3.87 THz范围内实现线极化波到交叉极化波的转换。
4、该超材料器件可以实现对太赫兹波极化态的主动调控功能，使之应用更加具有灵活性和广泛性，并有望应用到太赫兹传感、成像、通讯等技术领域中。
附图说明
图1为本发明一种基于二氧化钒的可切换多功能太赫兹极化转换器件的单元结构示意图；
图2为本发明一种基于二氧化钒的可切换多功能太赫兹极化转换器件的(a)侧视图、(b)俯视图、(c)仰视图。
图3为本发明一种基于二氧化钒的可切换多功能太赫兹极化转换器件的(a)正向透射模式、(b)正向反射模式、(c)反向反射模式示意图。
图4为二氧化钒电导率为300S/m（绝缘态）时x极化波在正向透射模式时透射系数幅值和相位差的曲线图；
图5为二氧化钒电导率为300S/m（绝缘态）时x极化波在正向透射模式时轴比曲线图；
图6为二氧化钒电导率为300000S/m（金属态）时x极化波在正向反射模式时反射系数幅值和相位差的曲线图；
图7为二氧化钒电导率为300000S/m（金属态）时x极化波在正向反射模式时轴比曲线图；
图8为二氧化钒电导率为300000S/m（金属态）时x极化波在反向反射模式时反射系数幅值和PCR曲线图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
设计了一种基于二氧化钒的可切换多功能太赫兹极化转换器件。该器件在不同的温度条件下可以实现不同的功能，在室温条件下二氧化钒处于绝缘态时，转换器实现透射线-圆极化转换；当温度升高二氧化钒处于金属态时，所设计的极化转换器能够工作在正向和反向反射模式，在正向反射模式时，为线-圆极化转换，在反向反射模式时，为线-线极化转换，实现了主动控制的目的。
如图1所示，本发明实施例基于五层复合结构组成：所述器件由从上到下为VO2-gold谐振层、上部PI介质层、VO2薄膜层、下部PI介质层和最下面的“杠铃”形金谐振层。在x和y方向进行周期性排布形成超材料结构。
如图2所示，为本发明的单元结构参数图，图中，t1 = 0.2μm、t2 =1μm、t3 = 9μm、t4= 14μm；p =30μm、r1 =14μm、r2 =12.5μm、d=14μm、w1= 1.5μm，l1 = 36μm，l2 = 19μm；l3 = 32μm，w2 = 1.3μm；l4 = 11μm，w3= 1μm，g= 20.3μm。
本发明实施例中使用的超材料微结构的电磁响应特性是由三维电磁仿真软件(CST Microwave Studio)仿真，并筛选了不同电导率下的超材料的反射谱情况。
图3(a)、3(b)和3(c)为转换器工作的三种模式：正向透射模式、正向反射模式和反向反射模式。
本发明实施例是以x极化波作为发射源，线极化波从该极化转换器顶层正入射，x和y方向均采用unit cell周期性边界条件，z方向采用open (add space) 边界条件，通过Floquet Port端口设置线极化电磁波从z或-z方向垂直入射到该超材料的顶层或底层结构上。
通过设置二氧化钒的不同电导率（仿真中通过设置电导率来模拟实际情况中二氧化钒对温度的响应，也就是不同的电导率对应不同的温度）实现对极化转换器振幅的调控，其中要强调的是二氧化钒在CST Microwave Studio软件仿真中通过设置不同的电导率来模拟真实情况下的不同温度，电导率300~300000S/m对应实际环境温度23℃~87℃。
极化转换原理以及衡量优劣的指标：
对于圆极化来说，当x线极化波入射到超表面时，透射系数幅度|txx|、|tyx|和反射系数幅度|rxx|、|ryx|均相等，且相位差Δϕ=ϕyx-ϕxx = ±(n+1/2)π（n取整数），即可实现线-圆极化转换。其中当Δϕ= -(n+1/2) π时，为右旋圆极化波，当Δϕ= +(n+1/2) π时，为左旋圆极化波。
波轴比也是衡量圆极化波的一个重要指标，他代表圆极化的程度，其中，透射和反射圆极化波轴比的理论计算公式：AR=20log(txy/txx)；AR=20log(rxy/rxx)，波轴比越接近0dB，表明反射波或透射波的极化方式越接近圆极化，一般认为波轴比在3dB内都是满足要求的。
为了表征线极化转换器的性能，研究了极化转换器的极化转换效率PCR，其计算公式为：
当二氧化钒电导率为300S/m（绝缘态）时，VO2薄膜可以看作是介质的一部分，可以使电磁波通过，此时器件表现为正向透射模式。
图4(a)和4(b)分别为x极化波在正向透射模式时透射系数幅值和相位差的曲线图，其中txx为同极化透射系数，tyx为交叉极化透射系数。可以看出在4.20～4.90THz频段处同极化和交叉极化的透射系数的幅度相接近，即txx=tyx。并且相位差保持-90°或者270°，为左旋圆极化波。
图5为x极化波在正向透射模式时轴比曲线图，可以看到，在4.20～4.90THz频段内轴比小于3dB，实现了透射线-圆极化转换。
当二氧化钒电导率为300000S/m（金属态）时，VO2薄膜可以看作反射层，此时器件工作在正向反射模式和反向反射模式。
当x极化波从z方向向下入射时，此时器件由最上面的VO2-gold谐振层、上部PI介质层和金属态的VO2薄膜层发生作用，图6(a)和6(b)分别为x极化波在正向反射模式时反射系数幅值的曲线图，其中rxx为同极化反射系数，ryx为交叉极化反射系数。可以看出在2.08～2.80 THz和4.00～5.62 THz两个频段处同极化和交叉极化的反射系数的幅度相接近，即rxx=ryx。其中在2.08～2.80 THz频段内相位差保持-90°，为左旋圆极化波；在4.00～5.62THz频段内相位差保持90°，为右旋圆极化波。
图7为x极化波在正向反射模式时轴比曲线图，可以看到，在在2.08～2.80 THz和4.00～5.62 THz两个频段内轴比均小于3dB，实现了反射线-圆极化转换。
当x极化波从-z方向向上入射时，此时器件由最下面的“杠铃”形金谐振层、下部PI介质层和金属态的VO2薄膜层发生作用，图8(a)和8(b)为x入射波时的反射系数幅值和PCR曲线图。从图8(a)中可以看到，在1.82～3.76THz 的工作频带内，交叉极化反射系数ryx的幅值大于 0.9，而共极化反射系数rxx的幅值小于 0.2，图8(b) 中在 1.82-3.76THz 频率范围内 PCR 值大于 0.95，其中在1.94、2.74和3.62THz 三个谐振频率处PCR约等于1，表明其具有很高的线极化转换性能。
本器件使用现有的微纳米加工工艺可以加工。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (5)
1.一种基于二氧化钒的可切换多功能太赫兹极化转换器件，其特征在于，基于二氧化钒从绝缘态到金属态的相变过程，实现高效、可调谐的极化转换器，所述极化转换器对太赫兹波具有主动调控功能，极化转换器的单元结构由五层结构组成，从上到下依次为VO2 -gold 谐振层、上部PI介质层、VO2薄膜层、下部PI介质层和“杠铃”形金谐振层。
2.根据权利要求1所述的基于二氧化钒的可切换多功能太赫兹极化转换器件，其特征在于，整体结构的周期p=30μm，VO2 -gold 谐振层和“杠铃”形金谐振层的厚度均为0.2μm；VO2薄膜的厚度分别为1μm，上部和下部PI介质层的厚度分别为9μm、14μm。
3.根据权利要求1所述的基于二氧化钒的可切换多功能太赫兹极化转换器件，其特征在于，双开口谐振环中外径14μm、内径12.5μm，开口宽度14μm，与其相交的复合金属带宽度为1.5μm，长度为8.5μm，其中金的部分长度为19μm。
4.根据权利要求1所述的基于二氧化钒的可切换多功能太赫兹极化转换器件，其特征在于，“杠铃”形金谐振器的竖条长度为32μm，宽度为1.3μm；横条的长度为11μm，宽度为1μm，两横条之间的距离为20.3μm。
5.如权利要求1所述的基于二氧化钒的可切换多功能太赫兹极化转换器件，其特征在于，通过改变环境温度使得二氧化钒发生可逆相变，VO2为绝缘态时，在4.20～4.90THz范围内转换器实现透射线-圆极化转换。当VO2相变为金属态时，所设计的极化转换器能够工作在正向和反向反射模式，在正向反射模式时，为线-圆极化转换，分别在2.08～2.80 TH和4.00～5.62 THz处实现线极化到左旋圆极化和右旋圆极化的转换；而当极化转换器工作在反向反射模式时，转换器在 2.55～3.87 THz范围内实现线极化波到交叉极化波的转换。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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