CN117748149A - 一种非对称性传输和极化转换功能可切换的超表面 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电磁超材料技术领域，具体为一种非对称性传输和极化转换功能可切换的超表面，由周期排列的若干超表面单元组成，超表面单元自上而下依次为顶部金属结构层、中间介质层一、二氧化钒光栅层、中间介质层二和底部金属结构层，金属结构层上均设有由一矩形贴片与两金属圆环相连构成的哑铃状图案。本发明通过温度调控光栅层中的二氧化钒，实现非对称传输特性与极化转换功能的切换，当二氧化钒为绝缘态时，器件具有非对称传输性质，当二氧化钒为金属态时，只具有极化转化特性。器件工作在太赫兹频段，对线极化、圆极化波都能实现高效的极化转换，相对带宽和偏振转换性能具有显著优势，在高密度集成器件领域中具有潜在的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于人工电磁超表面领域，具体涉及一种非对称性传输和极化转换功能可切换的超表面，可用于太赫兹通信、液晶显示、生物检测等领域。
背景技术
极化是作为电磁波最为重要的一个性质，如何对电磁波进行高效的极化转换一直以来都是学者们研究的热点，目前很多极化转换器件已经被设计与制备，并在抗干扰、信号传递和电磁隐身等领域得到了广泛应用。传统的极化调控器件的设计主要是通过法拉第效应和天然双折射晶体实现，往往存在结构设计复杂、结构尺寸较大、带宽窄、对材料与加工工艺要求高、只能按照特定模式工作、电磁损耗大等劣势。随着信息技术的发展，对器件小型化、集成化、多功能化的要求不断提高。如何实现具有宽频带、大角度、高效率、多功能的极化转换器成为了该领域一个亟待解决的重要问题。
超表面的出现为极化转换与非线性传输的设计提供了一种新方法，使得宽频带、大角度和高效率的非对称传输与极化转换功能可切换器件的实现成为可能，超表面是由亚波长单元按照一定的排列方式组成的二维平面阵列，因其超薄、结构简单和损耗低等特点，成为近年来的研究热点，超表面有许多自然材料所不具备的电磁特性。
目前常见的具有极化转换功能的超表面大都仅具有单一功能，且大都只能单独对线极化波或圆极化波进行极化转换，无法同时对线极化波和圆极化波均表现出较好的极化转换特性，同时采用单层超表面的极化转换器件，往往带宽较窄，转换效率较低，对入射角度较为敏感，而采用多层结构，虽可在一定程度上解决上述问题，但也使得器件的结构变得复杂、成本提高、电磁损耗高，因此如何综合考量各项因素，对超表面进行合理的设计就显得尤为重要了。
发明内容
为了解决上述现有技术中所存在的问题，本发明设计了一种非对称性传输和极化转换功能可切换的超表面，通过控制二氧化钒的相变，实现极化转换和非对称传输特性功能的切换。当二氧化钒为金属态时，本发明能在0.5-1.5THz的宽带范围内将线或圆极化波转化为其正交极化波，其极化转换率大于90％，具极化转换特性；当二氧化钒为绝缘态时，同时具有非对称传输特性与极化转换特性，但主要表现为非对称传输特性。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下。
一种非对称性传输和极化转换功能可切换的超表面，包括若干个超表面单元，多个所述超表面单元在同一平面内周期性排列，排列的横向和纵向的个数相等；
所述超表面单元，由五层结构组成，从下到上分别为：底部金属结构层、中间介质层二、光栅层、中间介质层一以及顶部金属结构层；
顶部金属结构层和底部金属结构层均为倾斜45°角的一矩形贴片与两金属圆环相连构成的哑铃形图案。
其中，底部金属结构层与顶部金属结构层一致，中间介质层二与中间介质层一结构一致；相邻层结构间无缝隙。
进一步地，上述超表面单元的排列周期p＝90～110μm，优选地，排列周期p＝101μm；所述顶部金属结构层、底部金属结构层和光栅层的厚度大于等于0.2μm，优选地，顶部金属结构层、底部金属结构层和光栅层的厚度均为0.2μm。
进一步地，矩形贴片的宽度为2～14μm，金属圆环的外径为14～22μm，金属圆环的内径为12～15μm，矩形贴片中心点到金属圆环中心点的距离为36～38.31μm；优选地，矩形贴片的宽度为8.15μm，金属圆环的外径为21.13μm，金属圆环的内径为13.77μm，矩形贴片中心点到金属圆环中心点的距离为38.31μm。
进一步地，矩形贴片与金属圆环的材料为金、银、铜、铝中的一种，矩形贴片与金属圆环可以采用相同材料也可以采用不同材料；优选地，矩形贴片与金属圆环的材料均为铜。
进一步地，所述光栅层由矩形铜条-二氧化钒条交替构成；矩形铜条的宽度d＝10.1μm，矩形二氧化钒条的宽度为12.11μm，光栅周期为5。
进一步地，所述中间介质层一和中间介质层二均为介电常数为2.1，厚度为46～50μm的聚四氟乙烯材料制成；优选地，中间介质层一和中间介质层二的厚度均为48.44μm。
上述非对称性传输和极化转换功能可切换的超表面，当光栅层的二氧化钒为金属态时，铜-VO2交替组成的光栅可以等效为一个金属反射面，将入射的正向和反向电磁波反射并转换为其交叉极化波，实现极化转换功能，特别的其对圆极化波(CP波)与线极化波都有相同的效果。
当光栅层的二氧化钒为绝缘态时，可将铜-VO2交变光栅层视为仅由金属构成的光栅，入射波在正向(+z)和反向(-z)方向传播时发生非对称传输。
本发明提供了一种非对称性传输和极化转换功能可切换的超表面，通过超表面单元在同一平面内周期性排列而成，同时在超表面结构中采用两层金属结构层、两层介质层和一层光栅的多层结构设置，对金属以及介质进行合理设计，通过控制位于中间光栅层的VO2相变，实现极化转换与非对称传输功能的切换。
与现有技术相比，本发明提供的非对称性传输和极化转换功能可切换的超表面具有以下优势：
(1)多功能性，通过改变二氧化钒的相变状态，可以实现极化转换和非对称传输功能的切换，当二氧化钒为金属态时，仅对入射波进行极化转换；当二氧化钒为绝缘态时，超表面极化转换的同时具有非对称传输和极化转换特性。
(2)本发明的超表面器件具有良好的适配性，对入射的线极化波与圆极化波都能进行转换为其交叉极化波，具有超宽带、极化转换率高的特点。
(3)本发明的超表面器件具有良好的斜入射特性，可用于复杂的工作环境，结构小，易于集成化，结构对称且周期性排列设计，还具有易于加工的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中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为本发明非对称性传输和极化转换功能可切换的超表面的整体结构示意图；
图2为图1所示超表面结构中的周期结构超表面单元的示意图；
图3为图2所示超表面单元金属结构层的结构设计示意图；
图4为图2所示超表面单元光栅层结构设计示意图；
图5为本发明仿真实验中的二氧化钒为金属态时的线极化反射系数；
图6为本发明仿真实验中的二氧化钒为金属态时的线极化极化转换率；
图7为本发明仿真实验中二氧化钒为金属态时的圆极化反射系数；
图8为本发明仿真实验中二氧化钒为金属态时的圆极化极化转换率；
图9为本发明仿真实验中二氧化钒为绝缘态时的非对称传输曲线图；
图10为本发明仿真实验中二氧化钒为绝缘态时的入射角度变化时非对称传输曲线图；
图11为本发明仿真实验中二氧化钒为绝缘态时光栅数量对AT参数的影响图。
图12为本发明仿真实验中二氧化钒为金属态时改变金属结构层中对应结构的参数对极化转换率的影响图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
请参阅图1至图2，本发明提出了一种非对称性传输和极化转换功能可切换的超表面，包括若干个超表面单元，多个所述超表面单元在同一平面内周期性排列，排列的横向和纵向的个数相等。超表面的整体结构如图1所示，图2为超表面单元结构设计图。
所述超表面单元由两层金属结构层、两层介质层和一层光栅层组成，从上至下依次为金属结构层、介质层、光栅层、介质层和金属结构层，光栅层上面两层结构与光栅层下的两层结构完全相同，相邻结构中间无缝隙。
所述超表面单元的排列周期为p＝101μm，所述金属结构层的厚度为0.2μm，介质层的厚度为h＝48.44μm，中间光栅层的厚度为0.2μm。
金属结构层可以选用金、银、铜、铝等材料，实际应用中常选择铜，厚度为0.2μm、电导率为5.8×107S/m。
参照图3所示，金属结构层由两个金属圆环和一个矩形贴片组成，其中金属圆环的外径为s＝21.13μm，内径为r＝13.77μm，矩形贴片的宽度为t＝8.15μm，矩形贴片中心点到金属圆环中心点的距离w＝38.31μm，矩形贴片和两金属圆环都分布在对角线上，矩形贴片两端分别连接一金属圆环，连接处与圆环外圆相适应，无缝隙连接，构成哑铃状图案。本实施例中，金属圆环和矩形贴片的材料均为铜，特别的金属结构层中矩形与圆环的材料可以为金、银、铜、铝中的任意一种，不同的材料选择对器件性能会产生相应的影响，此也在本发明的要求的保护范围内。
介质层的介质材料为聚四氟乙烯，其相对介电常数为2.1。
参照图4所示，光栅层由铜条-VO2条交替构成，铜条的宽度d＝10.1μm，二氧化钒条(VO2条)的宽度为l＝12.11μm，本实施例中铜条与二氧化钒条均呈矩形条状，一个铜条与一个二氧化钒条为一光栅周期，需要注意的是在本实施例中光栅周期5，即有5组铜条-VO2条，改变光栅周期(光栅组数)会影响器件性能，也在本发明要求保护的范围内。
以下结合仿真实验，对本发明的技术效果进行说明：
1.仿真条件和内容：
仿真所用软件为CST，使用Floquet模式模拟无限大阵列，仿真超表面的各个功能；当二氧化钒贴片所处温度高于360K时，二氧化钒贴片为金属态，电导率为σ＝2×105S/m，对应的介电常数可以由Drude模型描述，即：式中ε∞＝12是VO2在无限频率下的相对介电常数，ω是入射波的角频率，/>是VO2的等离子频率，γ是碰撞频率，其值为5.75×1013rad/s。
当二氧化钒贴片所处温度低于360K时，二氧化钒贴片为绝缘态，电导率为σ＝20S/m，电磁波沿着-z方向垂直入射到超表面单元上。
仿真1，当二氧化钒贴片为金属态时，超表面表现为极化转换功能，在垂直入射的条件下同极化波转化为交叉极化波，如图5至图8所示仿真本发明的极化转换功能，其中图5、图7分别为线极化波与圆极化波的共偏振反射系数和交叉偏振反射系数，图6、图8分别为通过计算得到的线极化波与圆极化波极化转换率(PCR)。
仿真2，当光栅层中的二氧化钒贴片为绝缘态时，超表面具有非对称传输效应，分别从Z与-Z方向入射，得到其非对称传输曲线，如图9所示。
仿真3，当光栅层中的VO2处于绝缘态时，改变入射波的入射角度，对其偏振进行分析，结果如图10所示。
仿真4，改变光栅层中光栅的数量，分析其对AT参数的影响，结果如图11所示。
仿真5，改变金属结构层中对应结构的参数，分析其对器件性能的影响，结果如图12所示。
2.仿真结果分析：
参考图5至图8，由于上下金属结构相同，且两个方向的线极化波的两组反射系数应该相等，因此图5只给出了单方向入射的反射系数。互极化反射系数|ryx|和|rxy|大于0.9，共极化反射系数|rxx|和|ryy|小于0.3，其中|rxx|和|ryy|略有不同，这是因为金属VO2的电导率与铜的电导率略有不同。根据PCR的定义，很容易计算出X极化波在0.5-1.5THz范围内的PCRx值大于0.9。在同一频率范围内，由于对称结构，y偏振波的PCRy值也大于0.9，相对带宽高达100％，如图6所示。在0.5-1.5THz频段内实现了有效的线偏振转换，在三个共振频率点，0.54THz、0.95THz和1.44THz时，PCR值接近100％。
为了进一步探索该器件的性能，我们对在反射模式下CP波的反射系数进行了分析，如图7、8所示，在0.5-1.5THz内，入射的圆极化波均发生了极化转换，正入射和反向入射时两组共极化系数|r++|＝|r--|小于0.3，而对应的交叉极化系数|r+-|和|r-+|大于0.92，且在频率范围为0.1-1.5THz时，PCR值均大于0.9，相对带宽达100.8％。
参考图9，当二氧化钒为绝缘态时，VO2的电导率为20S/m，本发明表现出非对称传输特性，CP波在正向(+z)和反向(-z)方向传播时发生AT效应，图9(a)和图9(b)分别给出了CP波沿+z和-z方向入射时的透射系数和相应的总透射率T。可以看出，共极化系数和交叉极化系数的响应符合互易理论，交叉透射系数tb +-和tf +-之间存在巨大差异。在0.55THz处，tf -+的最小振幅为0.03。在1.18和1.53THz处，tf +-的光谱中有两个明显的共振峰，分别为0.77和0.75。如图9(a)所示，tf +-在0.49THz时的最大振幅为0.86，在1.26THz和1.47THz时的最小振幅分别为0.025和0.04。这说明所设计的超表面可以在1.18THz和1.53THz时将左旋圆极化波(LCP波)转换为右旋圆极化波(RCP波)，在0.49THz时将RCP波转换为LCP波。如图9(b)所示，反向入射的圆偏振转换特性与正向入射的圆偏振转换特性相反。在0.495THz时，LCP波转化为RCP波，在1.18THz和1.53THz时，RCP波转化为LCP波。
参考图10，当VO2薄膜处于绝缘态时，透射波的偏振特性随入射角的变化而变化，允许CP波在小入射角下产生多波段AT效应。当入射角逐渐增大时，低频AT参数的带宽变窄。高频部分红移，带宽变窄，这是因为在高频波段有明显的非对称传输(AT)现象。当入射角度θ＝40°时，高频部分的AT效应几乎消失。高频和低频AT效应在θ＝80°时最大值为0.84，在θ＝70°时最大值为-0.80。在0.5-0.6THz波段，随着入射角的增大，AT参数均大于0.4。综上所述，本发明所提出的超表面结构设计可以在较宽的入射角范围内保持高效率。
参照图11，为了研究AT传输效应产生的原因，我们研究了单元中光栅数量对其性能的影响，当超表面中间没有光栅时，AT参数为0。当单位光栅数为1时，在0.515THz处出现了明显的AT现象，振幅达到0.8，说明本发明非对称传输的关键是光栅层。随着光栅数量的增加，在1.16THz和1.53THz处也出现了明显的AT现象。在光栅数为5之前，趋势稳定在0.6左右，说明光栅数的增加使AT现象更加明显。
参照图12，当二氧化钒为金属态时，改变金属结构层中对应结构的参数，分析其对器件性能的影响。如图12(a)中所示，改变金属结构层中的矩形贴片的宽度t，随着t的不断增加，在0.65THz左右的抑制峰下降，线极化转换率不断增加，同时带宽出现向高频移动的趋势，当t增加到5μm后，在1.25THz左右会出现一个抑制峰，随着t的增大，抑制峰上升，线极化转换率下降。图12(b)为改变金属结构层中金属圆环的外径s，分析其对圆极化转换率的影响图，从图中可以看出，随着金属圆环的外径不断增加，低频段的带宽不断增加，当s增加到18μm时，在1.2THz上出现抑制峰，此时再增大s将会使得圆极化转换率下降。从中可以看出，矩形贴片的结构参数主要影响器件的线极化转化率，金属圆环的结构参数主要影响器件的圆极化转换率。
以上描述仅是本发明的优选实施方式对本发明所作的进行进一步详细说明，并不对本发明构成限制，对于本发明所属的本领域的普通技术人员来说，均可在不脱离本发明创新构思的前提下所做出的若干变形和改进，但这些改变均属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种非对称性传输和极化转换功能可切换的超表面，由二维空间上周期排列的若干超表面单元组成，其特征在于：所述超表面单元由五层结构组成，自上而下依次为顶部金属结构层、中间介质层一、光栅层、中间介质层二和底部金属结构层，两层金属结构层的厚度一致，两层中间介质层的厚度一致，两层介质层与相邻结构层中间无缝隙；
所述顶部金属结构层和底部金属结构层上均设有由一矩形贴片与两金属圆环相连构成的哑铃状图案。
2.根据权利要求1所述的非对称性传输和极化转换功能可切换的超表面，其特征在于：所述超表面单元的排列周期为p＝90～110μm，所述顶部金属结构层、底部金属结构层和光栅层的厚度都在0.2μm以上，中间介质层一、中间介质层二的厚度为46～50μm。
3.根据权利要求2所述的非对称性传输和极化转换功能可切换的超表面，其特征在于：超表面单元中，顶部金属结构层、底部金属结构层与光栅层的中心均位于同一垂直线上，金属结构层上的贴片图案的形状、大小均相同。
4.根据权利要求3所述的非对称性传输和极化转换功能可切换的超表面，其特征在于：所述矩形贴片倾斜45°角设置，矩形贴片两端分别与一金属圆环相连，即矩形贴片和两金属圆环都分布在对角线上；矩形贴片的宽度为2～14μm，金属圆环的外径为14～22μm，金属圆环的内径为12～15μm。
5.根据权利要求3所述的非对称性传输和极化转换功能可切换的超表面，其特征在于：矩形贴片与金属圆环的材料为金、银、铜、铝中的一种。
6.根据权利要求5所述的非对称性传输和极化转换功能可切换的超表面，其特征在于：矩形贴片与金属圆环的材料均为铜。
7.根据权利要3所述的非对称性传输和极化转换功能可切换的超表面，其特征在于：位于中间的光栅层由铜条与二氧化钒条交替构成。
8.根据权利要7所述的非对称性传输和极化转换功能可切换的超表面，其特征在于：，当光栅周期为5时，铜条的宽度为10.1μm，二氧化钒条的宽度为12.11μm。
9.根据权利要求2所述的非对称性传输和极化转换功能可切换的超表面，其特征在于：所述中间介质层一、中间介质层二的材料均为聚四氟乙烯，相对介电常数为2.1，正切损耗的范围为0.001～0.005。
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Citations (8)
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|---|---|---|---|---|
| US20180131100A1 (en) * | 2015-08-03 | 2018-05-10 | Zhengbiao OUYANG | Left-handed circular-polarization conversion metamaterial film |
| CN111665588A (zh) * | 2020-05-06 | 2020-09-15 | 山东科技大学 | 基于二氧化钒和狄拉克半金属复合超表面的双功能偏振器 |
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| CN114243306A (zh) * | 2021-12-18 | 2022-03-25 | 桂林电子科技大学 | 一种闪电型可多项功能切换的太赫兹超表面 |
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- 2023-12-28 CN CN202311827082.2A patent/CN117748149B/zh active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20180131100A1 (en) * | 2015-08-03 | 2018-05-10 | Zhengbiao OUYANG | Left-handed circular-polarization conversion metamaterial film |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 张磊;刘硕;崔铁军;: "电磁编码超材料的理论与应用", 中国光学, no. 01, 15 February 2017 (2017-02-15) * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117748149B (zh) | 2024-08-27 |
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