CN211554369U

CN211554369U - 一种基于非对称反射型超表面结构的半波片

Info

Publication number: CN211554369U
Application number: CN202020510971.1U
Authority: CN
Inventors: 孙午炯
Original assignee: Shanghai Fuda Technology Co ltd
Current assignee: Shanghai Fuda Technology Co ltd
Priority date: 2020-04-09
Filing date: 2020-04-09
Publication date: 2020-09-22
Anticipated expiration: 2030-04-09

Abstract

本实用新型涉及一种基于非对称反射型超表面结构的半波片，属于电磁波偏振调控技术领域，本实用新型解决的技术问题是如何设计一种超薄、宽带、高效以及角度依赖性不强的半波片。所述基于非对称反射型超表面结构的半波片包括依次层叠设置的共振体层、介质层、金属层和衬底；其中，共振体层由若干个在介质层上呈周期性排列的金属共振体组成；每个金属共振体均包括相互垂直的第一矩形条和第二矩形条，第一矩形条的中心与第二矩形条的中心重合，第一矩形条的两端各垂直连接有一第三矩形条，两个第三矩形条的一端分别与第一矩形条连接，两个第三矩形条以第一矩形条的中心为对称中心呈中心对称。本实用新型具有超薄、宽带、高效及角度依赖性不强的效果。

Description

一种基于非对称反射型超表面结构的半波片

技术领域

本实用新型涉及电磁波偏振调控的技术领域，尤其是涉及一种基于非对称反射型超表面结构的半波片。

背景技术

电磁波的偏振作为其横波的重要特征，在实际中具有重要的应用。传统上，实现电磁波的偏振调控一般通过各项异性晶体等实现。利用材料内部不同晶轴方向或不同圆偏态的折射率差异，使得不同偏振的电磁波在一定厚度的晶体材料内传播时产生不同的相位积累，从而引起出射光偏振性质的改变。

一般来说，传统材料对应的折射率差别Δn很小，使得产生足够相位差所需材料的厚度相比于波长非常大，这对于一般的光频应用还可接受，但对于低频的电磁波来说几乎无法实现。对于特定频率的半波片，设计上不仅对半波片厚度严格要求，而且一般仅能在窄带内具有很好的效果，这些限制在实际中大大制约了半波片的发展。

因此，如何设计一种超薄、宽带、高效以及角度依赖性不强的半波片是目前亟需解决的问题。

实用新型内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的是提供一种基于非对称反射型超表面结构的半波片，具有超薄、宽带、高效以及角度依赖性不强的效果。

本实用新型的上述实用新型目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种基于非对称反射型超表面结构的半波片，包括依次层叠设置的共振体层、介质层、金属层和衬底；其中，所述共振体层由若干个在所述介质层上呈周期性排列的金属共振体组成；每个金属共振体均包括相互垂直的第一矩形条和第二矩形条，所述第一矩形条的中心与所述第二矩形条的中心重合，所述第一矩形条的两端各垂直连接有一第三矩形条，两个第三矩形条的一端分别与所述第一矩形条连接，两个第三矩形条以所述第一矩形条的中心为对称中心呈中心对称。

通过采用上述技术方案，通过表面相位来替代传统材料中的传播相位，从而使得体系摆脱厚度约束，实现超薄的偏振调控；对0.2～0.48THz的线偏振电磁波入射，其反射波极化方向产生90°的偏转，在超宽频带范围内PCR效率超过80％，因此，具有宽带、高效的优点；对于斜入射，在入射角θ小于55°的情况下，仍能在较宽频带范围内达到高效的偏振转换效果，因此，具有对入射角度依赖性不强的优点。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述第一矩形条与两个第三矩形条形成一直角Z左旋结构。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述第一矩形条与两个第三矩形条形成一直角Z右旋结构。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述第一矩形条的长度不小于所述第二矩形条的长度。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述第一矩形条、所述第二矩形条的长度均为100μm；所述第三矩形条的长度为156μm；所述第一矩形条、所述第二矩形条和所述第三矩形条的宽度均为36μm。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述第一矩形条、所述第二矩形条和所述第三矩形条的厚度均为2μm。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述共振体层的结构周期为400μm。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述介质层的厚度为120μm，所述金属层的厚度为100nm。

通过采用上述技术方案，使介质层厚度大于金属层厚度，可用于降低共振品质因子，提高带宽。

本实用新型在一较佳示例中可以进一步配置为：所述金属共振体的材质为金、银或者铜；所述介质层的材质为聚酰亚胺；所述金属层的材质为金、银或者铜；所述衬底的材质为硅片或二氧化硅片。

通过采用上述技术方案，采用聚酰亚胺使介质层的电绝缘性能较好，介电常数较小，对光的吸收较小，不易造成光的损失。

综上所述，本实用新型包括以下至少一种有益技术效果：

1.通过表面相位来替代传统材料中的传播相位，从而使得体系摆脱厚度约束，实现超薄的偏振调控；对0.2～0.48THz的线偏振电磁波入射，其反射波极化方向产生90°的偏转，在超宽频带范围内PCR效率超过80％，因此，具有宽带、高效的优点；对于斜入射，在入射角θ小于55°的情况下，仍能在较宽频带范围内达到高效的偏振转换效果，因此，具有对入射角度依赖性不强的优点；

2.使介质层厚度大于金属层厚度，可用于降低共振品质因子，提高带宽；

3.采用聚酰亚胺使介质层的电绝缘性能较好，介电常数较小，对光的吸收较小，不易造成光的损失。

附图说明

图1是本实用新型实施例一的xy平面结构示意图。

图2是本实用新型实施例一的xz平面结构示意图。

图3是本实用新型实施例一中单个金属共振体的xy平面结构示意图。

图4是本实用新型实施例二的xy平面结构示意图。

图5是本实用新型实施例二的xz平面结构示意图。

图6是本实用新型实施例二中单个金属共振体的xy平面结构示意图。

图7是本实用新型实施例的基于非对称反射型超表面结构的半波片的琼斯响应矩阵的各个分量(r_xx、r_xy、r_yx、r_yy)的反射率与频率的线性关系图。

图8是本实用新型实施例的基于非对称反射型超表面结构z的半波片的偏振转化效率(PCR效率)与频率的线性关系图。

图9是本实用新型实施例的基于非对称反射型超表面结构的半波片的经过模拟计算得到的偏振转换效率(PCR效率)关于入射角θ的相图。

图中，1、金属共振体；2、介质层；3、金属层；11、第一矩形条；12、第二矩形条；13、第三矩形条。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

实施例一：

请参阅图1和图2，图1、图2分别是本实用新型实施例公开的一种基于非对称反射型超表面结构的半波片的xy平面、xz平面的结构示意图。一种基于非对称反射型超表面结构的半波片，包括依次层叠设置的共振体层、介质层2、金属层3和衬底4；其中，共振体层由若干个在介质层2上呈周期性排列的金属共振体1组成；每个金属共振体1均包括相互垂直的第一矩形条11和第二矩形条12，第一矩形条11的中心与第二矩形条12的中心重合，第一矩形条11的两端各垂直连接有一第三矩形条13，两个第三矩形条13的一端分别与第一矩形条11连接，两个第三矩形条13以第一矩形条11的中心为对称中心呈中心对称，第一矩形条11与两个第三矩形条13形成一直角Z左旋结构。

如图3所示，第一矩形条11的长度b不小于第二矩形条12的长度a，优选的，第一矩形条11的长度b与第二矩形条12的长度a相等，均为100μm。第三矩形条13的长度c为156μm；第一矩形条11、第二矩形条12和第三矩形条13的宽度w均为36μm。

如图2所示，第一矩形条11、第二矩形条12和第三矩形条13的厚度h₁均为2μm；介质层2的厚度h₂为120μm，金属层3的厚度h₃为100nm。

金属共振体1的材质可以是金、银或者铜；介质层2的材质为聚酰亚胺；金属层3的材质可以是金、银或者铜。

可选的，共振体层的结构周期为400μm，即图1中的m＝400μm。

实施例二：

请参阅图4和图5，图4、图5分别是本实用新型实施例公开的一种基于非对称反射型超表面结构的半波片的xy平面、xz平面的结构示意图。一种基于非对称反射型超表面结构的半波片，包括依次层叠设置的共振体层、介质层2、金属层3和衬底4；其中，共振体层由若干个在介质层2上呈周期性排列的金属共振体1组成；每个金属共振体1均包括相互垂直的第一矩形条11和第二矩形条12，第一矩形条11的中心与第二矩形条12的中心重合，第一矩形条11的两端各垂直连接有一第三矩形条13，两个第三矩形条13的一端分别与第一矩形条11连接，两个第三矩形条13以第一矩形条11的中心为对称中心呈中心对称，第一矩形条11与两个第三矩形条13形成一直角Z右旋结构。

如图6所示，第一矩形条11的长度b不小于第二矩形条12的长度a，优选的，第一矩形条11的长度b与第二矩形条12的长度a相等，均为100μm。第三矩形条13的长度c为156μm；第一矩形条11、第二矩形条12和第三矩形条13的宽度w均为36μm。

如图5所示，第一矩形条11、第二矩形条12和第三矩形条13的厚度h₁均为2μm；介质层2的厚度h₂为120μm，金属层3的厚度h₃为100nm。

可选的，共振体层的结构周期为400μm，即图4中的m＝400μm。

由于实施例一与实施例二的区别仅在于：共振体的旋向不同，一个是左旋、一个是右旋，因此，二者特性是相同的。下面以实施例二为例，对非对称反射型超表面结构的偏振调控下的PCR效率进行分析。

在该体系中，入射线偏振

的电场分量可以激励出非零的<j_y>电流场，从而使得体系表现出强烈的非对称反射r_yx特性。通过FDTD模拟优化表面的金属结构参数，在一定频率范围内增大体系的非对称项，设计w＝36μm、a＝b＝100μm、c＝156μm，制备样品并测量。

由于此时体系对应半波片入射线偏振方位角

的情况，因此无需转动样品，使用沿

偏振的平面波入射直接测量体系琼斯矩阵的四个分量(r_xx、r_xy、r_yx、r_yy)即可。图7直接展示了体系在线偏振入射下相同偏振与垂直偏振的反射结果，带宽范围0.2～0.48THz，中心频率在0.34THz，体系满足|r_xy|，|r_yx|＞＞|r_xx|，|r_yy|，即垂直偏振的反射明显大于相同偏振反射的结果。

本实施例中，PCR效率为特定入射波达到目标的极化转变的能量对于总出射能量的比值。对于半波片，定义为产生90°偏转的能量除以总的出射能量，100％的转换效率对应于1。定量地，偏振转换效率的定义PCR＝|r_yx|²/(|r_yx|²+|r_xx|²)，计算直接测量对应的偏振转换效率。图8描述了样品对应的偏振转化效率，图8中的灰色区域标记了PCR>80％的区域。如图8所示，在整个带宽范围内样品的PCR效率大于80％，这些结果与FDTD模拟结果完美的匹配。

图9描述了样品经过模拟计算得到的偏振转换效率(PCR效率)关于入射角θ的相图，FDTD模拟的结果显示了样品对于入射角θ小于55°的情况，体系依旧展现出完美的宽频及高效的偏振转换效果，展现出良好的斜入射效率。

综上，通过上述模拟优化以及THz实验验证了反射型超表面所能实现的宽频、高效的半波片。

本具体实施方式的实施例均为本实用新型的较佳实施例，并非依此限制本实用新型的保护范围，故：凡依本实用新型的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种基于非对称反射型超表面结构的半波片，其特征在于，包括依次层叠设置的共振体层、介质层（2）、金属层（3）和衬底（4）；其中，所述共振体层由若干个在介质层（2）上呈周期性排列的金属共振体（1）组成；每个金属共振体（1）均包括相互垂直的第一矩形条（11）和第二矩形条（12），所述第一矩形条（11）的中心与所述第二矩形条（12）的中心重合，所述第一矩形条（11）的两端各垂直连接有一第三矩形条（13），两个第三矩形条（13）的一端分别与所述第一矩形条（11）连接，两个第三矩形条（13）以所述第一矩形条（11）的中心为对称中心呈中心对称。

2.根据权利要求1所述的基于非对称反射型超表面结构的半波片，其特征在于，所述第一矩形条（11）与两个第三矩形条（13）形成一直角Z左旋结构。

3.根据权利要求1所述的基于非对称反射型超表面结构的半波片，其特征在于，所述第一矩形条（11）与两个第三矩形条（13）形成一直角Z右旋结构。

4.根据权利要求2或3所述的基于非对称反射型超表面结构的半波片，其特征在于，所述第一矩形条（11）的长度不小于所述第二矩形条（12）的长度。

5.根据权利要求4所述的基于非对称反射型超表面结构的半波片，其特征在于，所述第一矩形条（11）、所述第二矩形条（12）的长度均为100μm；所述第三矩形条（13）的长度为156μm；所述第一矩形条（11）、所述第二矩形条（12）和所述第三矩形条（13）的宽度均为36μm。

6.根据权利要求5所述的基于非对称反射型超表面结构的半波片，其特征在于，所述第一矩形条（11）、所述第二矩形条（12）和所述第三矩形条（13）的厚度均为2μm。

7.根据权利要求1至3、5、6任一项所述的基于非对称反射型超表面结构的半波片，其特征在于，所述共振体层的结构周期为400μm。

8.根据权利要求1至3、5、6任一项所述的基于非对称反射型超表面结构的半波片，其特征在于，所述介质层（2）的厚度为120μm，所述金属层（3）的厚度为100nm。

9.根据权利要求1至3、5、6任一项所述的基于非对称反射型超表面结构的半波片，其特征在于，所述金属共振体（1）的材质为金、银或者铜；所述介质层（2）的材质为聚酰亚胺；所述金属层（3）的材质为金、银或者铜；所述衬底（4）的材质为硅片或二氧化硅片。