CN219695578U - 基于超表面结构的太赫兹偏振分束器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于超表面结构的太赫兹偏振分束器，超表面结构包括介质层和金属层，金属层包括阵列排布的多个结构单元，结构单元包括第一谐振器和第二谐振器；第一谐振器包括：第一金属条；第二金属条，和第一金属条并排设置；第三金属条，连接在第一金属条和第二金属条之间；第二谐振器包括金属区域和镂空区域，镂空区域包括：第一镂空槽；第二镂空槽，和第一镂空槽并排设置；第三镂空槽，第三镂空槽的一端连通第一镂空槽，第三镂空槽的另一端连通第二镂空槽。本实用新型的基于超表面结构的太赫兹偏振分束器，易于集成，且制备成本低。

Description

基于超表面结构的太赫兹偏振分束器

技术领域

本实用新型涉及分束器，特别是涉及基于超表面结构的太赫兹偏振分束器。

背景技术

太赫兹波指的是频率处于0.1THz-10THz范围内电磁波，在电磁频谱中，太赫兹波段的研究尚处于起步阶段。由于太赫兹波独特的性质，其在各种应用中都有着很高的吸引力，包括安全检查、无损检测、环境监测、通信、生物医学诊断等。而在太赫兹器件中，对成本低、结构紧凑且高性能的准光学元件具有很高的需求，它们的设计原理也备受关注。

太赫兹波段传统的光学透镜常常使用硅或TPX材料制成，但一般体积较大，无法满足高集成度系统的需求。超表面，一种由亚波长尺寸的单元组成的二维周期或准周期结构，可以实现对电磁波的人工调控，诸如形成特定形状的反射波、透射波等。在太赫兹波段，超表面是一个实现波前调控的理想平台，其不仅具有很薄的厚度，还可以实现传统透镜、波片无法达到的功能。并且太赫兹超表面可以通过廉价的光刻技术或PCB工艺进行制备，其成本远低于传统镜片。

偏振分束器是光学系统中的一种重要器件，可以将光信号分离成两个相互正交的偏振光，并沿着不同的路径传输。在太赫兹系统中，偏振分束器同样有着重要的作用，但有关太赫兹波段的偏振分束器研究尚处于起步阶段。传统结构的太赫兹分束器结构笨重且不能实现对波束的调控，不利于小型化、集成以及多路传输。

公布号为CN110190405A的中国专利公开了一种基于超材料的反射型分束器，该分束器为3层结构，顶部为条带型金属层，中间为介质层，底部为金属板。该分束器能够将太赫兹入射波分为能量相等、传播方向不同的四束太赫兹反射波。该反射型分束器的结构仍较复杂，且不能调节分束比。

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种基于超表面结构的太赫兹偏振分束器，易于集成，制备成本低。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种基于超表面结构的太赫兹偏振分束器，所述超表面结构包括介质层和金属层，所述金属层包括阵列排布的多个结构单元，所述结构单元包括第一谐振器和第二谐振器；

所述第一谐振器包括：

第一金属条；

第二金属条，和所述第一金属条并排设置；

第三金属条，连接在所述第一金属条和所述第二金属条之间；

所述第二谐振器包括金属区域和镂空区域，所述镂空区域包括：

第一镂空槽；

第二镂空槽，和所述第一镂空槽并排设置；

第三镂空槽，所述第三镂空槽的一端连通所述第一镂空槽，所述第三镂空槽的另一端连通所述第二镂空槽。

优选地，所述介质层采用高分子材料，所述介质层的相对介电常数为2～2.5，所述介质层的厚度为5μm～30μm。

优选地，所述金属层的电导率为1×10⁷S/m～2×10⁷S/m，所述金属层的厚度为0.2μm～2μm。

优选地，所述第三金属条的一端连接于所述第一金属条的中部，所述第三金属条的另一端连接于所述第二金属条的中部。

优选地，所述第一谐振器还包括：

第四折弯部，由所述第一金属条的一端向所述第二金属条延伸形成；和/或

第五折弯部，由所述第一金属条的另一端向所述第二金属条延伸形成；和/或

第六折弯部，由所述第二金属条的一端向所述第一金属条延伸形成；和/或

第七折弯部，由所述第二金属条的另一端向所述第一金属条延伸形成。

优选地，所述第一金属条、所述第二金属条、所述第三金属条、所述第四折弯部、所述第五折弯部、所述第六折弯部以及所述第七折弯部的宽度为10μm～20μm。

优选地，所述金属区域的外轮廓为矩形。

优选地，在同一个结构单元内，所述镂空区域的形状所述第一谐振器的形状相同。

优选地，在同一个结构单元内，所述第一金属条的延伸方向与所述第一镂空槽的延伸方向一致。

优选地，所述多个结构单元的阵列排布形式为：所述结构单元沿第一金属条的延伸方向排成行，所述结构单元沿所述第三金属条的延伸方向排成列，同一行中的各个结构单元的所述第三金属条的长度依次增加，同一列中的各个结构单元的形状相同。

如上所述，本实用新型的基于超表面结构的太赫兹偏振分束器，易于集成，且制备成本低。

附图说明

图1显示为本实用新型一实施例的结构单元的示意图。

图2显示为本实用新型一实施例的截面示意图。

图3显示为本实用新型一实施例的分束原理图。

图4显示为本实用新型一实施例的波束传输率与结构参数的关系。

图5显示为本实用新型一实施例的波束传输系数相位与结构参数的关系。

图6显示为本实用新型一实施例由结构单元组成的阵列的示意图。

图7显示为本实用新型一实施例在超表面方向的波束方向图。

图8显示为本实用新型一实施例不同方向透射波的传输频谱图。

元件标号说明

1、介质层；2、金属层；21、结构单元；201、第一结构单元；202、第二结构单元；203、第三结构单元；204、第四结构单元；205、第五结构单元；206、第六结构单元；211、第一谐振器；2111、第一金属条；2112、第二金属条；2113、第三金属条；2114、第四折弯部；2115、第五折弯部；2116、第六折弯部；2117、第七折弯部；212、第二谐振器；2121、金属区域；2122、第一镂空槽；2123、第二镂空槽；2124、第三镂空槽。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

需要说明的是，当组件被称为与另一个组件“连接”时，它可以直接与另一个组件连接或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。

如图1～图6所示，本实用新型提供一种基于超表面结构的太赫兹偏振分束器，超表面结构包括介质层1和金属层2，金属层2包括阵列排布的多个结构单元21，结构单元21包括第一谐振器211和第二谐振器212；

第一谐振器211包括第一金属条2111、第二金属条2112以及第三金属条2113。第二金属条2112和第一金属条2111并排设置，第三金属条2113连接在第一金属条2111和第二金属条2112之间。

第二谐振器212包括金属区域2121和镂空区域，镂空区域包括第一镂空槽2122、第二镂空槽2123以及第三镂空槽2124。第二镂空槽2123和第一镂空槽2122并排设置，第三镂空槽2124的一端连通第一镂空槽2122，第三镂空槽2124的另一端连通第二镂空槽2123。

如图3所示，本实用新型提供的太赫兹偏振分束器可将入射波分为4束，分别为共极化透射波、交叉极化透射波、共极化反射波以及交叉极化反射波。其中，共极化透射波的传播方向为所示金属层的法线方向，共极化透射波的极化方向与入射波的极化方向一致；交叉极化透射波的传播方向与金属层的法线方向呈夹角，交叉极化透射波的极化方向与入射波的极化方向呈夹角；共极化反射波的传播方向与金属层的法线方向呈夹角，共极化反射波的极化方向与入射波的极化方向一致；交叉极化反射波的传播方向为所示金属层的法线方向，交叉极化反射波的的极化方向与入射波的极化方向呈夹角。

本实用新型提供的太赫兹偏振分束器可通过对结构单元进行不同的参数设置获得不同的分束比。具体为，对于第一谐振器211，仅调整第三金属条2113和第三镂空槽2124的长度，并保持结构单元的其它参数固定不变，得到不同的分束比。通过调整结构得到如图1所示的不同的gy值，不同g_y值对应的太赫兹波束的传输率如图4所示。在图4中，方形节点的曲线表示交叉极化波的总传输率，即交叉极化透射波的传输率与交叉极化反射波的传输率之和。圆形节点的曲线表示共极化波的总传输率，即共极化透射波的传输率与共极化反射波的传输率之和。从图4可以看出，当gy为17μm时，共极化波与交叉极化波的分束比约为1:1，当gy为20μm时，共极化波与交叉极化波的分束比约为1:1.2。此外，

于本实施例中，介质层采用高分子材料，介质层的相对介电常数为2～2.5，介质层的厚度为5μm～30μm。

于本实施例中，介质层1的材质为聚丙烯。

于本实施例中，金属层2的电导率为1×10⁷S/m～2×10⁷S/m，金属层的厚度为0.2μm～2μm。

于本实施例中，金属层2的材质为铝。采用真空镀膜工艺将金属层2沉积于介质层1的表面。

于本实施例中，第三金属条2113的一端连接于第一金属条2111的中部，第三金属条2113的另一端连接于第二金属条2112的中部。

如图1所示，于本实施例中，第一谐振器211还包括第四折弯部2114、第五折弯部2115、第六折弯部2116、以及第七折弯部2117。第四折弯部2114由第一金属条2111的一端向第二金属条2112延伸形成，第五折弯部2115由第一金属条2111的另一端向第二金属条2112延伸形成，第六折弯部2116由第二金属条2112的一端向第一金属条2111延伸形成，第七折弯部2117由第二金属条2112的另一端向第一金属条2111延伸形成。

如图1所示，于本实施例中，第一金属条2111、第二金属条2112、第三金属条2113、第四折弯部2114、第五折弯部2115、第六折弯部2116以及第七折弯部2117的宽度w为10μm～20μm。

于本实施例中，第一金属条2111、第二金属条2112、第三金属条2113、第四折弯部2114、第五折弯部2115、第六折弯部2116以及第七折弯部2117的高度h为25μm～40μm。

于本实施例中，第一谐振器211和第二谐振器212之间的间距g_x为10μm～20μm。

于本实施例中，在第一金属条2111的延伸方向上，第一谐振器211为镜像对称结构。

于本实施例中，在第三金属条2113的延伸方向上，第一谐振器211为镜像对称结构。

于本实施例中，在第一镂空槽2122的延伸方向上，第二谐振器212为镜像对称结构。

于本实施例中，在第三镂空槽2124的延伸方向上，第二谐振器212为镜像对称结构。

于本实施例中，金属区域的外轮廓为矩形。

于本实施例中，在第三金属条2113的延伸方向上，第一谐振器211的中心位置与第二谐振器212的镂空区域的中心位置一致。

于本实施例中，在同一个结构单元内，镂空区域的形状第一谐振器211的形状相同。

于本实施例中，在同一个结构单元内，第一金属条2111的延伸方向与第一镂空槽2122的延伸方向一致。

通过调整结构得到如图1所示的不同的gy值，不同gy值对应的太赫兹波束的传输系数相位如图5所示。在图5中，方形节点的曲线表示交叉极化透射波的传输系数相位，圆形节点的曲线表示共极化透射波传输系数相位。从图5可以看出，共极化透射波的传输系数相位接近于0°，误差波动不超过10°；而交叉极化透射波的传输系数相位随着g_y的改变而变化，当g_y从7.5μm增大至52.5μm时，交叉极化透射波的传输系数相位从360°降低至40°。共极化反射波的相位表现与交叉极化透射波相同。

根据图5所示的电磁特性，将不同g_y值的结构单元进行组合，形成复合单元，构成相位梯度，从而加强反射波中的共极化波、透射波中的交叉极化波的波束偏转；而另外两束波的传播方向不会受到影响。于本实施例中，多个结构单元21的阵列排布形式为：结构单元21沿第一金属条2111的延伸方向排成行，结构单元21沿第三金属条2113的延伸方向排成列，同一行中的各个结构单元21的第三金属条2113的长度依次增加，同一列中的各个结构单元21的形状相同。

具体的，于本实施例中，结构单元21按阵列排布，阵列中的一行包含6个g_y值依次增加的结构单元，这6个g_y值依次增加的结构单元分别为第一结构单元201、第二结构单元202、第三结构单元203、第四结构单元204、第五结构单元205、第六结构单元206。各结构单元的总宽度P_x为150μm～200μm。各结构单元的总高度P_y为170μm～230μm。

图6中的第一结构单元201对应于图5中的方形节点①。图6中的第二结构单元202对应于图5中的方形节点②。图6中的第三结构单元203的对应于图5中的方形节点③。图6中的第四结构单元204对应于图5中的方形节点④，图6中的第五结构单元205对应于图5中的方形节点⑤，图6中的第六结构单元206对应于图5中的方形节点⑥。

入射波为右旋圆极化波，入射波的频率为0.3THz～0.37THz，入射波的传播方向垂直于金属层2和介质层1。

在右旋圆极化波入射下，得到超表面方向(即金属层2所在平面方向)图如图7所示，图中180°处的箭头所指方向为入射波方向。可以看到在入射波的照射下，产生了四束波束，其中，共极化波透射波的传播方向与超表面法一致；交叉极化透射波的传播方向与超表面法向夹角为43°，通过增加结构单元21的数量可进一步减少与45°预期值之间的误差；共极化反射波的传播方向与超表面法向夹角为43°；交叉极化反射波的传播方向与超表面法向一致。

太赫兹偏振分束器的透射波传输率随频率的变化曲线如图8所示，在0.35THz处，只有垂直透射和+45°的透射波具有较大的传输幅度，而在与之镜像的-45°方向，透射波被抑制在30dB以下。从图8a可以看出，与共极化波相比，沿法向的交叉极化波的传输率被抑制在18dB。这也说明垂直透射几乎全是共极化波。从图8b可以看出，共极化波在+45°方向上的传输率仅比交叉极化波在该方向上的传输效率低三倍，大约9.5dB，并产生椭圆极化波。此外，共极化波在垂直透射方向上的传输系数在0.3THz～0.37THz宽带内保持稳定。垂直透射的共极化波占入射波功率的20％，超表面结构的总传输效率为43％，接近理论极限值50％。

综上，本实用新型通过将超表面结构的结构单元设计成形状互补的第一谐振器211和第二谐振器212，可以对0.3THz～0.37THz频带范围内的太赫兹入射波进行分束，分束比可调，总透射效率接近理论最大值50％。本实用新型提供的太赫兹偏振分束器可采用现有的光刻等微纳加工工艺制备，成本低，体积小，可完美的嵌入高度集成的微系统中。本实用新型提供的太赫兹偏振分束器的透射波波束偏转角度可调，可将多频率混合的入射波分为从不同方向透射的单色波。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。不同实施例中的技术特征体现在同一附图中时，可视为该附图也同时披露了所涉及的各个实施例的组合例。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种基于超表面结构的太赫兹偏振分束器，所述超表面结构包括介质层和金属层，所述金属层包括阵列排布的多个结构单元，其特征在于，所述结构单元包括第一谐振器和第二谐振器；

所述第一谐振器包括：

第一金属条；

第二金属条，和所述第一金属条并排设置；

第三金属条，连接在所述第一金属条和所述第二金属条之间；

所述第二谐振器包括金属区域和镂空区域，所述镂空区域包括：

第一镂空槽；

第二镂空槽，和所述第一镂空槽并排设置；

第三镂空槽，所述第三镂空槽的一端连通所述第一镂空槽，所述第三镂空槽的另一端连通所述第二镂空槽。

2.根据权利要求1所述的基于超表面结构的太赫兹偏振分束器，其特征在于，所述介质层采用高分子材料，所述介质层的相对介电常数为2～2.5，所述介质层的厚度为5μm～30μm。

3.根据权利要求1所述的基于超表面结构的太赫兹偏振分束器，其特征在于，所述金属层的电导率为1×10⁷S/m～2×10⁷S/m，所述金属层的厚度为0.2μm～2μm。

4.根据权利要求1所述的基于超表面结构的太赫兹偏振分束器，其特征在于，所述第三金属条的一端连接于所述第一金属条的中部，所述第三金属条的另一端连接于所述第二金属条的中部。

5.根据权利要求1所述的基于超表面结构的太赫兹偏振分束器，其特征在于，所述第一谐振器还包括：

第四折弯部，由所述第一金属条的一端向所述第二金属条延伸形成；和/或

第五折弯部，由所述第一金属条的另一端向所述第二金属条延伸形成；和/或

第六折弯部，由所述第二金属条的一端向所述第一金属条延伸形成；和/或

第七折弯部，由所述第二金属条的另一端向所述第一金属条延伸形成。

6.根据权利要求5所述的基于超表面结构的太赫兹偏振分束器，其特征在于，所述第一金属条、所述第二金属条、所述第三金属条、所述第四折弯部、所述第五折弯部、所述第六折弯部以及所述第七折弯部的宽度为10μm～20μm。

7.根据权利要求1所述的基于超表面结构的太赫兹偏振分束器，其特征在于，所述金属区域的外轮廓为矩形。

8.根据权利要求7所述的基于超表面结构的太赫兹偏振分束器，其特征在于，在同一个结构单元内，所述镂空区域的形状所述第一谐振器的形状相同。

9.根据权利要求8所述的基于超表面结构的太赫兹偏振分束器，其特征在于，在同一个结构单元内，所述第一金属条的延伸方向与所述第一镂空槽的延伸方向一致。

10.根据权利要求9所述的基于超表面结构的太赫兹偏振分束器，其特征在于，所述多个结构单元的阵列排布形式为：所述结构单元沿第一金属条的延伸方向排成行，所述结构单元沿所述第三金属条的延伸方向排成列，同一行中的各个结构单元的所述第三金属条的长度依次增加，同一列中的各个结构单元的形状相同。