CN106229692A - 一种应用于太赫兹波段的1‑比特双频段电磁编码超材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于太赫兹波段的1‑比特双频段电磁编码超材料。其基本单元结构由两层工字型金属结构、两层聚酰亚胺介质层以及一层金属背板组成，通过优化设计两层工字型结构的几何参数，可使得每个单元在两个不同频率电磁波照射下呈现出独立的反射相位0度和180度，分别对应数字态“0”和“1”。按预先设计的数字编码在二维平面上排列这些数字单元，就形成了频率可控的双频段电磁编码超材料。由于每个单元在两个频率(低频和高频)时的响应是独立的，因此通过在两个频率赋予不同的编码，可使整个双频段编码超材料在低频和高频的太赫兹波照射下呈现出两种独立的功能，其中包括反常波束反射、随机表面散射等。

Description

一种应用于太赫兹波段的1-比特双频段电磁编码超材料

技术领域

本发明涉及一种新型人工电磁材料，尤其涉及一种在太赫兹波段的频率可控的1-比特双频段电磁编码超材料。

背景技术

新型人工电磁材料，亦称电磁超材料(Metamaterials)，是将具有特定几何形状的宏观基本单元周期/非周期性地排列，或者植入到基体材料体内(或表面)所构成的一种人工材料。电磁超材料和传统意义材料的区别在于用宏观尺寸单元代替了原来微观尺寸单元(原子或分子)。尽管二者的单元尺寸相差很大，但是它们对外加电磁波的响应都是通过基本单元谐振***与外加电磁场的相互作用来体现的。电磁超材料从媒质的角度定义了电磁波的行为，为微波器件的设计提供了新的思路和方法。

Capasso等人在2011年提出了广义斯涅尔定律，该定理是描述超材料表面电磁特性的基本定律，考虑了电磁波在超材料表面反射或者透射时产生的相位不连续性以及随之产生的异常反射和折射行为。人们可以设计人工表面结构来人为控制这种相位不连续性，进而可以利用二维超表面调控空间传播波。达到任意控制反射波和折射波的目的。实现如涡旋波束和贝塞尔波束等，甚至可以设计随机的相位分布，使得入射波束被随机散射到各个方向，形成漫反射，从而有效降低目标的雷达散射截面积，实现隐身。

以上提到的超材料的单元一般都是单频段的，即设计好的超材料的功能在相应频段内是固定的并且唯一的，不能随入射电磁波的频段改变而发生变化。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种应用于太赫兹波段的双频段电磁编码超材料，通过设计特定的数字编码矩阵并将其赋予材料中的每个基本单元，其便可在低频和高频垂直入射电磁波的照射下独立地实现不同的功能，如反常反射、反常折射、涡旋波束和贝塞尔波束等功能。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种应用于太赫兹波段的1-比特双频段电磁编码超材料，包括一个以上的超级子单元，所述超级子单元主要由N×N个基本单元结构组成，N为非零正整数；所述基本单元结构包括从上到下依次设置的第一工字型金属层、第一介质层、第二工字型金属层、第二介质层以及零透射金属层。

优选的，本发明基本单元结构包含4种单元结构，通过独立调节两层工字型金属结构的臂长，使得优化得到的单元结构可以在两个不同频率的电磁波照射下独立的呈现出两种数字态响应“0”和“1”，这两种数字态响应对应两种反射相位0°和180°，由于低频和高频下的数字态具有独立响应，因此得到4个不同的数字态编码，这4种不同数字态编码对应4种基本单元结构。所述基本单元结构包含4种单元结构，4种单元结构的几何参数如下：

其中：H₁为第二工字型金属层的工字型金属结构的臂长，H₂为第一工字型金属层的工字型金属结构的臂长，0和1为两种数字态响应，0数字态响应对应反射相位0°，1数字态响应对应反射相位180°，斜线前的数字表示在低频太赫兹波照射下的反射相位数字态，斜线后的数字表示在高频太赫兹波照射下的反射相位数字态；0/0、0/1、1/0、1/1这4种不同数字态编码对应4种单元结构；

所述基本单元结构按照相应的数字编码矩阵排列在二维平面上形成超级子单元。

优选的，所述第一介质层(4)的厚度为10μm，所述第二介质层(3)的厚度为15μm，两个介质层的介电常数为3.00，损耗角正切为0.09。

优选的，所述基本单元结构的单元周期长度P为70μm。

有益效果：本发明提供的一种应用于太赫兹波段的双频段电磁编码超材料及基本单元结构，相比现有技术，具有以下有益效果：

1、本发明摒弃了传统采用等效媒质参数对超材料进行分析与设计的方案，采用离散的数字编码形式来更加简洁和有效地分析和设计超材料。

2、本发明巧妙的利用一种双层工字型金属结构的基本单元结构。结构较简单，相比于由单个谐振结构构成的单频段编码超材料单元结构，这种双频段的基本单元结构具有更大的设计灵活度，具体表现在本发明能够在改变入射波频段时实现对电磁波的不同调控功能。

3、本发明可通过赋予超材料不同的编码矩阵，使其在低频和高频的垂直入射电磁波的照射下独立地呈现出不同的功能，如反常反射、反常折射。所实现的器件具有定向率高，转换效率高的特点。

4、本发明结构设计简单，在太赫兹波段采用常规光刻工艺，易于量产。所制成的样品具有超薄超轻的特点，易于与现有***集成；同时也可覆盖在任何具有曲面的物体上，用于缩减其雷达散射截面积。

5、本发明可用标准光刻工艺流程加工，其设计方法可扩展至微波段及光波段，可用于增大信息传输率或者用于分离不同频率分量的电磁波。

附图说明

图1是这种双频段编码超材料的原理图、编码基本单元结构的设计以及相应的反射相位信息；(a)在高频太赫兹波垂直照射下，编码序列为“0101…”，垂直入射波主要被反射为两个对称的波束；(b)在低频太赫兹波垂直照射下，编码序列为“0101…/1010…”的棋盘格分布，垂直入射波主要被反射为四个对称的波束；(c)基本编码单元的结构，由两层工字型金属结构分别附着在聚酰亚胺介质层上，四种数字态编码“0/0”、“0/1”、“1/0”和“1/1”的所对应单元尺寸h₁/h₂分别为31μm/21.5μm，20μm/30μm，38.5μm/30μm和15μm/35μm，其中下角标1和2分别代表下层和上层；(d)在0.78THz(三角点)和1.19THz(圆点)处四种数字态编码单元的反射相位值；(e)0.6THz到1.4THz频段内四种数字态编码单元的反射相位；(f)0.6THz到1.4THz频段内四种数字态编码单元的反射相位；

图2为在S₁，S₂，S₃编码序列下，这种双频段编码超材料的远场散射方向图的仿真结果；(a-c)为S₁编码序列，低频时编码序列为沿x方向的“00001111…”，高频时编码序列为沿y方向的“000111…”；(d-f)为S₂编码序列，低频时编码序列为沿x方向的“00001111…”，高频时编码序列为棋盘格分布“000111…/111000…”；(g-i)为S₃编码序列，低频时编码序列为沿x方向的“0000011111…”，高频时编码序列沿x方向的“0011…”；(a,d,g)为0.78THz频率处的三维散射方向图仿真结果；(b,e,h)为1.19THz频率处的三维散射方向图仿真结果；(c,f,i)为低频和高频相应截面内的二维散射方向图。

图3分别为S₁，S₂，S₃编码序列下电场分布的仿真结果；(a,c,e)分别为编码序列S₁，S₂，S₃在0.78THz频率处的电场分布；(b,d,f)分别为编码序列S₁，S₂，S₃在1.19THz频率处的电场分布。

图4为基本单元结构的结构示意图，其中图4(a)为基本单元结构的正视图，图4(b)为图4(a)的侧向剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

一种应用于太赫兹波段的1-比特双频电磁编码超材料，其基本单元结构如图1(c)和图4所示，其特征在于：包括从上到下依次设置的第一工字型金属层1、第一介质层4、第二工字型金属层2、第二介质层3以及零透射金属层5。

一种应用于太赫兹波段的1-比特双频电磁编码超材料，其特征在于：包括一个以上的超级子单元，所述超级子单元主要由N×N个基本单元结构组成，N为非零正整数；所述基本单元结构按照相应的数字编码矩阵排列在二维平面上。

所述基本单元结构共有4种基本单元结构，通过独立调节两层工字型金属结构的臂长，得到的基本单元结构可以在两个不同频率的电磁波照射下独立的呈现出两种数字态响应“0”和“1”，这两种数字态响应分别对应的两种反射相位为0度和180度；由于在低频和高频下的数字态相应独立，因此一共会产生四种不同的数字态编码，分别为“0/0”、“0/1”、“1/0”和“1/1”，其中，斜线前的数字表示在低频太赫兹波照射下的反射相位数字态，斜线后的数字表示在高频太赫兹波照射下的反射相位数字态。

这里将在太赫兹波段具体实例化本发明所提到的1-比特双频段电磁编码超材料及基本单元结构。

所述两层介质板的厚度d₁为15μm，d₂为10μm，介电常数为3.00，损耗角正切为0.09。

基本单元结构的单元周期长度P为70μm。

本发明涉及的一种双功能的双频段电磁编码超材料是通过设计人工电磁材料的有限个码元和其编码顺序来实现预期的特殊功能。主要涉及了一种太赫兹波段的1-比特的双频段编码超材料，包含了反射波的幅度相同而相位相差180度的两个编码“0”和“1”。由于所设计的基本单元结构需要在低频和高频垂直入射波的照射下呈现出独立的数字态响应，因此总共有4种基本单元结构，这4种基本单元结构都是由双层工字型金属结构构成。通过设计相应的二维编码矩阵，将这些基本单元结构按照预先设计的数字编码矩阵在二维平面内进行排列，当垂直入射的电磁波的频率分别在低频和高频时，这种双频段编码超材料会表现出两种不同的功能，其中包括反常波束反射、反常波束分离和随机散射等，可用于波束扫描、波束聚焦以及缩减物体的雷达散射截面积等应用。

通过独立调节两层工字型金属结构的臂长h₁和h₂，得到每个基本单元结构可以在两个不同频段的电磁波照射下独立的产生两种数字态响应“0”和“1”，这两种数字态响应分别对应的两种反射相位为0度和180度；通过在低频和高频自由组合这两个数字编码，便形成了4个数字态编码，分别为“0/0”、“0/1”、“1/0”和“1/1”，这4个数字态编码单元所对应的几何参数见表1。

表1太赫兹波段1-比特双频段电磁编码超材料的4种基本单元结构的几何参数

为了展示本发明应用在太赫波段的1-bit双频段电磁编码超材料的功能，下面采用三个具体的实例来说明。

第一个实例，我们采用编码矩阵为S₁，低频时编码序列S_1L为沿x方向的“00001111…”，高频时编码序列S_1H为沿y方向的“000111…”。在这里我们引入超级子单元的概念，其由N×N个相同的基本单元结构组成。由于相邻不同结构单元之间电磁耦合未在设计单元结构时考虑，因此会在实际编码后的超材料中带来不可预期的相位响应，造成性能的恶化，而引入超级子单元可以有效地降低这一影响。本例中，整个超材料由72x72个基本单元构成，S_1L和S_1H编码下的超级子单元大小N分别为4和3。。

图2(a)和图2(b)展示了编码为S₁的超材料在0.78THz和1.19THz垂直太赫磁波照射下的三维远场方向图。当0.78THz的y极化电磁波垂直入射时，沿x方向的编码序列为“00001111…”，垂直波束会被分离到x-z平面内的两个波束，两波束与z轴夹角为42度；当1.19THz的y极化电磁波垂直入射时，沿y方向的编码序列为“000111…”，垂直波束会被分离到y-z平面内的两个波束，两波束与z轴夹角为37度，此结果与广义斯涅耳定律公式λ＝arcsin(λ/Γ)计算的结果43.3度和36.9度非常接近，其中λ代表自由空间波长，Γ代表一个梯度周期的长度。图2(c)给出了二维截面内的散射方向图结果，可以看出1.19THz处的波束宽度比0.78THz处的波束宽度要窄，因为在高频段编码超材料的相对电尺寸要大一些。

图3(a)和图3(b)展示了相应的编码为S₁的超材料在0.78THz和1.19THz太赫兹波垂直照射下的x-z平面和y-z平面内的电场分布图。可以清晰地看到，在两种频段太赫兹波照射下，电磁场都是向着两个关于法线对称的方向传播；其中电场的微小扰动是由于之前提到的不同结构单元之间的耦合造成的。

第二个实例，我们采用编码矩阵为S₂，低频时编码序列S_2L为沿x方向的“00001111…”，高频时编码序列S_2H为棋盘格分布“000111…/111000…”。同样地，这里也引入超级子单元的概念。本例中，整个超材料由72x72个基本单元构成，S_2L和S_2H编码下的超级子单元大小N分别为4和3。

图2(d)和图2(e)展示了编码为S₂的超材料在0.78THz和1.19THz垂直太赫磁波照射下的三维远场方向图。当0.78THz的y极化电磁波垂直入射时，沿x方向的编码序列为“00001111…”，与第一例中一样，垂直波束会被分离到x-z平面内的两个波束，两波束与z轴夹角为42度；当1.19THz的y极化电磁波垂直入射时，编码序列为棋盘格分布，垂直波束会被分离为四个对称的波束，两波束与z轴夹角为37度，此结果与广义斯涅耳定律公式λ＝arcsin(λ/Γ)计算的结果43.3度和36.9度非常接近。图2(f)给出了二维截面内的散射方向图结果。图3(c)和图3(d)展示了相应的编码为S₂的超材料在0.78THz和1.19THz太赫兹波垂直照射下的x-z平面和y-z平面内的电场分布图。

第三个实例，我们采用编码矩阵为S₃，低频时编码序列S_3L为沿x方向的“0000011111…”，高频时编码序列S_3H沿x方向的“0011…”。同样地，这里也引入超级子单元的概念。本例中，整个超材料由80x80个基本单元构成,S_3L和S_3H编码下的超级子单元大小N分别为5和2。

图2(g)和图2(h)展示了编码为S₃的超材料在0.78THz和1.19THz垂直太赫磁波照射下的三维远场方向图。当0.78THz的y极化电磁波垂直入射时，沿x方向的编码序列为“0000011111…”，垂直波束会被分离到x-z平面内的两个波束，两波束与z轴夹角为32度；当1.19THz的电磁波y极化垂直入射时，沿x方向的编码序列为“0011…”，垂直波束会被分离为x-z平面内的两个波束，两波束与z轴夹角为64度，此结果与广义斯涅耳定律公式λ＝arcsin(λ/Γ)计算的结果33.3度和64.2度非常接近。图2(i)给出了二维截面内的散射方向图结果。图3(e)和图3(f)展示了编码为S₃的超材料在0.78THz和1.19THz太赫兹波垂直照射下的x-z平面内的电场分布图。

下面，对本发明所提出的太赫兹波段的双频电磁编码超材料的转换效率进行评估。在这里，我们首先定义转换效率如下：将波束以相应的倾斜角(与金属板法线的角度)入射到金属板上时的镜像反射角方向的反射强度记为P₁，将波束垂直入射到编码后的超材料上时的偏折角方向上的反射强度记为P₂，其比值定义为转换效率E＝P₂/P₁。由于图2(c)(f)(i)中的散射方向图已经对纯金属板反射时的强度P₁做过归一化。因此可以得出编码为S₁的超材料的转换效率在0.78THz和1.19THz处化分别为41.9％和49％；编码为S₂的超材料的转换效率在0.78THz和1.19THz处化分别为41.9％和27.7％；编码为S₃的超材料的转换效率在0.78THz和1.19THz处化分别为48.2％和37.4％。在1.19THz频段处后向散射(0°)方向上的残留的反射峰较大可能是由于每个编码单元的反射幅度不均匀造成的。

本发明基本单元结构是双层工字型的双频段编码结构，通过设计优化其单元结构的几何参数，可使得每个单元在低频和高频垂直入射电磁波的照射下呈现出独立的反射相位0度和180度，分别对应数字态“0”和“1”。按预先设计的数字编码在二维平面上排列这些数字单元，就形成了频率可控的双频段电磁编码超材料。由于每个单元在低频和高频时的响应是独立的，可使整个双频段编码超材料在两个不同频段的垂直入射波照射下呈现两种独立的功能。其中包括反常波束反射、随机表面散射等。在太赫兹段波采用标准的光刻工艺。可用于制作波束偏折，极化转换器等器件，也可用于缩减目标的雷达散射截面等应用。

需要说明，以上所述仅是本发明在太赫兹的优选实施方式，由于本发明单元结构设计简单，同样的结构可以通过尺寸缩放应用到微波段，红外以及可见光波段。应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种应用于太赫兹波段的1-比特双频段电磁编码超材料，其特征在于：包括一个以上的超级子单元，所述超级子单元主要由N×N个基本单元结构组成，N为非零正整数；所述基本单元结构包括从上到下依次设置的第一工字型金属层(1)、第一介质层(4)、第二工字型金属层(2)、第二介质层(3)以及零透射金属层(5)。

2.根据权利要求1所述的一种应用于太赫兹波段的1-比特双频段电磁编码超材料，其特征在于：所述基本单元结构包含4种单元结构，4种单元结构的几何参数如下：

其中：H₁为第二工字型金属层的工字型金属结构的臂长，H₂为第一工字型金属层的工字型金属结构的臂长，0和1为两种数字态响应，0数字态响应对应反射相位0°，1数字态响应对应反射相位180°，斜线前的数字表示在低频太赫兹波照射下的反射相位数字态，斜线后的数字表示在高频太赫兹波照射下的反射相位数字态；0/0、0/1、1/0、1/1这4种不同数字态编码对应4种单元结构；

所述基本单元结构按照相应的数字编码矩阵排列在二维平面上形成超级子单元。

3.根据权利要求1所述的一种应用于太赫兹波段的1-比特双频段电磁编码超材料，其特征在于：所述第一介质层(4)的厚度为10μm，所述第二介质层(3)的厚度为15μm，两个介质层的介电常数为3.00，损耗角正切为0.09。

4.根据权利要求1所述的一种应用于太赫兹波段的1-比特双频段电磁编码超材料，其特征在于：所述基本单元结构的单元周期长度P为70μm。