CN108039589A - L型开口环谐振器的超表面太赫兹反射式极化转换器 - Google Patents

L型开口环谐振器的超表面太赫兹反射式极化转换器 Download PDF

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兰峰
杨梓强
史宗君
罗峰
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Abstract

L型开口环谐振器的超表面太赫兹反射式极化转换器，属于电磁波全矢量传输调控器件技术领域，本发明包括位于顶层的M×N个金属手征结构单元和底部的金属层，以及设置于金属手征结构单元和底部的金属层之间的衬底介质基片，其特征在于，所述金属手征结构单元包括按正交方式设置于正方形区域内的第一L型谐振片和第二L型谐振片，第一L型谐振片的顶点和第二L型谐振片的顶点分别处于正方形的两个对角的顶点；第一L型谐振片的几何形状由两个相等的直角梯形构成，两个直角梯形皆有一个45°底角，斜边重合，底边相互垂直；第二L型谐振片的几何形状亦由两个相等的直角梯形构成，两个直角梯形皆有一个45°底角，斜边重合，底边相互垂直；构成第一L型谐振片的直角梯形的底边长度小于构成第二L型谐振片的直角梯形的底边长度。

Description

L型开口环谐振器的超表面太赫兹反射式极化转换器
技术领域
本发明属于电磁波全矢量传输调控器件技术领域，涉及的是反射式太赫兹线极化左、右旋圆极化器。
背景技术
太赫兹波在电磁波谱中位于微波和红外辐射之间，其频率范围为0.1-10THz，近年来，随着太赫兹领域的发展，外界对于太赫兹波器件的需求越来越大，目前，基于超材料的太赫兹器件吸引了人们的注意力。
超材料是由亚波长单元结构周期性排列组成的人工电磁材料，由于其具有一些天然材料所不具备的超常物理性质，因此被广泛应用于各种功能器件,如传感器、超级透镜、隐身衣等。发展至今，“超材料”的发展备受人们的关注，目前已经被人们开发的超材料包括:"左手材料"、光子晶体、"超磁性材料"等。而手征超表面(Chiral Metasurface-CM)作为一种新型的超材料，具有横向亚波长的微细结构，可实现对电磁波相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控。超薄的超表面可以替代大型的光学设备实现相应的功能，它对于高集成度的太赫兹器件开发潜力具有重大的推动作用。
极化器是电磁学和光学领域中极为重要的无源器件，在天线应用中可以控制天馈***极化方向，选择与***信号一致的极化型式，并抑制其它型式的极化波，以获得极化匹配，实现最佳接收。控制极化状态的转换对于现在研究电磁波信号的传播具有非常重要的意义，传统的光学器件厚度大且结构复杂，限制了对太赫兹频段的研究，而基于手征超表面(Chiral Metasurface-CM)的极化器具有更高的集成度，占有更少的物理空间，大大增强了此类器件在太赫兹领域的发展，手征结构形式SRRs(Split ring resonances)由于具有电磁场局部增强和高品质因数等特点，被广泛作为手征超表面的极化器的组成元件来应用。本发明基于非对称开口环，具有高旋光度和负折射率特性
2014年Xiaojun Huang等在Journal of Applied Physics上发表文章，提出了一种U型超表面反射式多谐振极化器，该极化器可以在三个谐振点实现线极化的交叉极化，三个谐振点实现圆极化的极化转换，同时可以由左旋圆极化到右旋圆极化的转换。2014年Jiaxin Zhao等人提出了一种对称的L型手征结构的反射式极化器。该极化器在水平方向上为旋转对称的结构，而且可以实现线极化的交叉极化转换和左旋和右旋圆极化波的极化转换，但是极化转换的效率还有待提高，且还停留在较低的频段。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种极化转换效率高、***损耗小、结构简单、尺寸小、调控方便、易于加工的非对称L-型开口环谐振器的超表面太赫兹反射式极化转换器。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，L型开口环谐振器的超表面太赫兹反射式极化转换器，包括位于顶层的M×N个金属手征结构单元(2)和底部的金属层(4)，以及设置于金属手征结构单元(2)和底部的金属层(4)之间的衬底介质基片(3)，其特征在于，所述金属手征结构单元包括按正交方式设置于正方形区域内的第一L型谐振片和第二L型谐振片，第一L型谐振片的顶点和第二L型谐振片的顶点分别处于正方形的两个对角的顶点；
第一L型谐振片的几何形状由两个相等的直角梯形构成，两个直角梯形皆有一个45°底角，斜边重合，底边相互垂直；
第二L型谐振片的几何形状亦由两个相等的直角梯形构成，两个直角梯形皆有一个45°底角，斜边重合，底边相互垂直；
构成第一L型谐振片的直角梯形的底边长度小于构成第二L型谐振片的直角梯形的底边长度。
进一步的，构成第一L型谐振片的直角梯形的底边长度为105um，高为19um；构成第二L型谐振片的直角梯形的底边长度为144um，高为16um。
所述的衬底介质基片的材料为PET，介电常数为2.43，磁导率为1，损耗正切为0.001。
M和N为大于10的整数。
本发明所称的L型谐振片的顶点是指外缘的转角点，或者说，外侧两个边的交点。
本发明具有如下优点：
1)本发明采用单层的非对称结构和金属背板相结合的极化器，基于电磁交叉极化耦合和F-P腔干涉效应，在旋转机理中既有磁偶极子激发的磁场极化效应，也有电偶极子激发的电场极化效应。
2)本发明可以在多个峰值频率点实现线极化的交叉极化和圆极化的转换，并且具有非常高的极化转换效率，这在太赫兹反射式天线领域和无线通信技术的应用潜力非常巨大。
3)本发明结构简单，集成度高，易于加工，可控精度高，可采用微纳技术加工。
4)本发明可以在微波-太赫兹-光波频段内灵活调节工作范围，在太赫兹成像***，传感器，探测器等方面有重要的应用价值。
附图说明
图1为本发明提供的非对称L-型开口环谐振器的超表面太赫兹反射式极化转换器的三维结构示意图；
图2为金属谐振环手征结构及单个谐振单元侧面示意图；
图3为非对称L-型开口环谐振器的超表面太赫兹反射式极化转换器的表面电流分布仿真结果图。
图4为非对称L-型开口环谐振器的超表面太赫兹反射式极化转换器的反射频谱仿真结果图。
具体实施方式
本发明的反射式极化器在垂直方向和水平方向均为非对称结构，其工作频段为太赫兹频段且效率高，可以在四个谐振点对线极化、八个谐振点对左旋或者右旋圆极化实现高效率的极化转换，极化转换效率大于99％。该极化器具有极高的交叉极化转换效率，且结构简单，加工难度较低。
如图1、2所示，本发明包括信号输入端/反射输出端1、衬底介质基片3、顶层金属手征结构单元2、底部金属层4、信号透射输出端5。L型金属手征结构单元由一大一小两个开口相对的L型金属片构成，两个L型各自的邻边相等且平行坐标轴(X轴与Y轴)。金属手征结构单元表面层谐振单元在相对于入射面的水平方向和垂直方向都构成非对称结构，而在斜线45°方向构成对称结构。所述的L型金属结构中，大L的长度为l2，宽度为w2，小L的长度为l1，宽度为w1,大小L之间开口宽度为d。l1和l2为百微米量级，w1、w2和d为十微米量级。当极化波入射时，自上而下依次经过上层L型手征结构、中间介质层和底部金属板反射层，形成发射波从输入端输出，完成极化状态的90°转换。
所述的金属谐振结构的线条材料为Au、Ag、Cu、Al或Ti/Pt/Au合金，厚度h为百纳米量级。
所述的极化器的转换机理如图3所示，当入射为y-方向的线极化波时，即电场Ei极化方向为y，磁场极化方向为x方向，上层金属结构和底部的金属层的电流分布分别如图3(a)、3(b)、3(c)和3(d)所示。如图所示，基于表面等离子体波电磁交叉耦合机理和上下层金属结构间的法布里-珀罗腔(Fabry Perot interferometer-FP)干涉效应，上层电流和下层电流流动方向的不同，从而引起极化状态的转换。在峰值频率点f1＝0.381THz,f2＝0.636THz,上下金属结构电流分布相反，从而形成磁偶极子，其方向和入射的电场方向相平行，从而引起交叉极化。而对于峰值频率点f3＝0.891THz,上下层的金属结构电流分布相互垂直，形成电偶极子P2和P3激发电场E2和E3，与入射的电场相垂直，从而引起极化状态的旋转。同样的对于f4＝1.063THz，由于电偶极子P2激发的电场E2的分量E2x引起极化偏转。可以发现上下层的金属结构之间形成具有干涉效应的F-P腔，通过调整基底厚度可以调节上下层间的极化耦合效应。同样的对于谐振单元的结构参数进行调整，可以改变表面等离子体波的模式分布，实现对谐振频率、带外抑制、极化转换效率、非对称传输等特性的调整。通过理论计算和仿真模拟可以对极化器结构进行优化，可以设计出满足实际工程要求的太赫兹极化旋转器件。
更具体的说，介质基片所用的材料为Polyethylene Terephthalate(PET)，介电常数约为2.43，磁导率为1，损耗正切约为0.001，厚度为h。述金属谐振结构的线条材料采用电导率为3.72×107S/m的金属铝。
如图2所示征超表面的结构参数为：a＝247um，t＝50um，l1＝105um，l2＝144um，w1＝19um，w2＝16um，d＝23um.
图4所示为基于非对称L-型开口环谐振器的超表面太赫兹反射式极化转换器反射频谱仿真结果图。经三维高频电磁仿真软件HFSS模拟得到：如图4(a)所示，当入射为y方向的线极化波时，在频率点f1＝0.381THz,f2＝0.636THz,f3＝0.891THz,f4＝1.063THz，可以得到线极化的交叉极化，发射系数|rxy|2分别为0.834,0.953,0.901和0.935，同样地，如图4(b)所示，在这四个频率点的极化转换效率(polarization conversion ratio)近似于1.0。图4(c)显示的是极化偏转角度在f1～f4四个峰值频率点，或者180°，表明为线交叉极化，而在频率点0.364THz,0.402THz,0.516THz,0.737THz,0.859THz,0.926THz,1.020THz和1.183THz，相位差分别为-95.4°,95.3°,-93.9°,-88.5°,84.1°,-86.7°,-93.1°和95.5°，这说明此时线极化波已经转换为圆极化波(+/－分别代表着左旋圆极化波和右旋圆极化波)。加工方案拟采用微纳光刻加工技术；实验方案拟采用太赫兹时域光谱仪或太赫兹矢量网络分析仪对制备的太赫兹反射式极化器进行实测，需要注意的是由于是反射式极化器，需要使入射波方向和反射波方向偏离一定角度，以便于测试。考虑由于基底材料电参数、金属材料导电率、加工精度和测量设备精度等带来的测量误差，并结合测试结果对极化器模型进行进一步的工程优化有望进一步提高极化器的性能。
本案中的非对称L-型开口环谐振器的超表面结构，可以根据工作频段的不同，选择恰当的介质基底材料和金属材料，采用不同加工工艺进行加工，比如PCB技术、离子刻蚀技术、激光诱导技术或常规光刻技术等。

Claims (3)

1.L型开口环谐振器的超表面太赫兹反射式极化转换器，包括位于顶层的M×N个金属手征结构单元(2)和底部的金属层(4)，以及设置于金属手征结构单元(2)和底部的金属层(4)之间的衬底介质基片(3)，其特征在于，
所述金属手征结构单元包括按正交方式设置于正方形区域内的第一L型谐振片和第二L型谐振片，第一L型谐振片的顶点和第二L型谐振片的顶点分别处于正方形的两个对角的顶点；
第一L型谐振片的几何形状由两个相等的直角梯形构成，两个直角梯形皆有一个45°底角，斜边重合，底边相互垂直；
第二L型谐振片的几何形状亦由两个相等的直角梯形构成，两个直角梯形皆有一个45°底角，斜边重合，底边相互垂直；
构成第一L型谐振片的直角梯形的底边长度小于构成第二L型谐振片的直角梯形的底边长度；
M和N为大于10的整数。
2.如权利要求1所述的L型开口环谐振器的超表面太赫兹反射式极化转换器，其特征在于，
构成第一L型谐振片的直角梯形的底边长度为105um，高为19um；
构成第二L型谐振片的直角梯形的底边长度为144um，高为16um。
3.如权利要求2所述的L型开口环谐振器的超表面太赫兹反射式极化转换器，其特征在于，所述的衬底介质基片的材料为PET，介电常数为2.43，磁导率为1，损耗正切为0.001。
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