CN113363727B - 太赫兹波束扫描-极化复合调控器件及天线 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种太赫兹波束扫描‑极化复合调控器件及天线，太赫兹波束扫描‑极化复合调控器件包括两层级联的超表面，每层超表面均由多个超周期按照周期性排列构成；每个超周期均由十个人工原子一字排列构成；每个人工原子均由顶部硅柱、硅衬底和底部硅柱依次无缝层叠构成；顶部硅柱的截面形状和硅衬底的形状均为正方形，底部硅柱的截面形状为矩形；两层级联的超表面互相平行设置，且两层级联的超表面中的一层超表面的底部硅柱与另一层超表面的顶部硅柱相靠近；两层级联的超表面的相远离的两个表面分别固定一旋转机构，旋转机构带动对应的超表面旋转，且两层级联的超表面的旋转轴线重合。本申请具有动态调控太赫兹光束的波前和极化的效果。

Description

太赫兹波束扫描-极化复合调控器件及天线

技术领域

本申请涉及太赫兹光束动态调控的技术领域，尤其是涉及一种太赫兹波束扫描-极化复合调控器件及天线。

背景技术

太赫兹波段通常是指0.1～10THz频率范围内的电磁波，该波段介于红外与微波波段之间。因其独特的光谱特性，太赫兹波在天体物理学、通讯、材料、化学、国防安全、生物医学等领域有着广泛应用。

然而，太赫兹频段超过了电学放大器和混频器中所必不可少的半导体材料的截止频率，导致当前广泛采用的射频电子元件不再兼容太赫兹波段。因此，需要自由、动态地控制太赫兹波前和极化。

目前，由于缺乏合适的亚微米尺寸的可调谐元件，导致无法实现动态调控太赫兹光束的波前和极化。

发明内容

为了动态调控太赫兹光束的波前和极化，本申请提供一种太赫兹波束扫描-极化复合调控器件及天线。

第一方面，本申请提供一种太赫兹波束扫描-极化复合调控器件，采用如下的技术方案：

一种太赫兹波束扫描-极化复合调控器件，包括两层级联的超表面，每层所述超表面均由多个超周期按照周期性排列构成；

每个所述超周期均由十个人工原子一字排列构成；每个所述人工原子均由顶部硅柱、硅衬底和底部硅柱依次无缝层叠构成；所述顶部硅柱的截面形状和所述硅衬底的形状均为正方形，所述底部硅柱的截面形状为矩形；

所述两层级联的超表面互相平行设置，且所述两层级联的超表面中的一层超表面的底部硅柱与另一层超表面的顶部硅柱相靠近；

所述两层级联的超表面的相远离的两个表面分别固定一旋转机构，所述旋转机构带动对应的超表面旋转，且所述两层级联的超表面的旋转轴线重合。

可选的，所述人工原子在正交极化下的相位差ΔΦⁱ(r,t)＝-π/2，且平均相位

依次线性相加π/5。

可选的，所述旋转机构为金属转台，所述超表面贴附于所述金属转台。

可选的，所述两层级联的超表面之间的距离为h₄，200μm≤h₄≤1000μm。

可选的，h₄＝600μm。

可选的，在

极化波和

极化波的正入射下,固定所述硅衬底的边长P和厚度h₂以及所述底部硅柱的一截面边长ω_y，利用时域有限差分法模拟所述人工原子随所述底部硅柱的另一截面边长ω_x和高度h₃变化的相位差ΔΦⁱ和透射系数幅值

根据模拟得到的相图确定具有高透射性能及预期相位差的底部硅柱的截面边长ω_x和高度h₃。

可选的，在

极化波和

极化波的正入射下,固定ΔΦⁱ＝-π/2对应的底部硅柱的截面边长ω_x和高度h₃，利用时域有限差分法模拟计算所述人工原子随所述顶部硅柱的截面边长l和高度h₁变化的平均相位

和透射系数幅值

根据模拟得到的相图确定具有预期的平均相位

的顶部硅柱的截面边长l和高度h₁。

可选的，所述两层级联的超表面的旋转速度分别为ω₁＝-π/(2T)，ω₂＝3π/(4T)。

第二方面，本申请提供一种应用第一方面所述的太赫兹波束扫描-极化复合调控器件的波束扫描-极化天线。

通过采用上述技术方案，由具有特定相位分布的两层透射型超表面组成超表面器件，通过给不同层超表面不同的旋转速度，整个超表面器件会具有随着时间变化的琼斯矩阵，有助于动态调控波束的波前和极化，无需使用有源元件进行局部调控，即可动态调控太赫兹光束的波前和极化，并且通过太赫兹实验证实其有效性，为实现太赫兹光束的动态调控铺平道路，可以更好地应用于太赫兹雷达、生物化学传感和成像等诸多领域。

附图说明

图1是本申请实施例的太赫兹波束扫描-极化复合调控器件的xz平面结构示意图。

图2是本申请实施例的太赫兹波束扫描-极化复合调控器件的立体结构示意图。

图3(a)是本申请实施例的超表面的设置顶部硅柱的一侧表面的平面结构示意图。

图3(b)是本申请实施例的超表面的设置底部硅柱的一侧表面的平面结构示意图。

图4是本申请实施例的人工原子的结构示意图。

图5(a)是本申请实施例的底部硅柱的相位差ΔΦⁱ与底部硅柱的截面边长ω_x和高度h₃的关系相图。

图5(b)是本申请实施例的底部硅柱的透射系数幅值

与底部硅柱的截面边长ω_x和高度h₃的关系相图。

图5(c)是本申请实施例的顶部硅柱的平均相位

与顶部硅柱的截面边长l和高度h₁的关系相图。

图5(d)是本申请实施例的顶部硅柱的透射系数幅值

与顶部硅柱的截面边长l和高度h₁的关系相图。

图6是本申请实施例的左旋圆极化入射波经过两层级联超表面后在庞加莱球上的旋转操作示意图。

图7是本申请实施例的超表面的相位分布示意图。

图8是本申请实施例的k空间球上扫描角度随时间演化的示意图。

图9是本申请实施例的庞加莱球上极化状态随时间演化的示意图。

图10是本申请实施例的太赫兹波束扫描-极化复合调控器件与太赫兹时域光谱***的位置关系示意图。

图11是本申请实施例的在[t＝0,(1/2)T,1T]这三个时刻的透射波的角功率分布图。

图12是本申请实施例的在[t＝0,(1/2)T,1T]这三个时刻的透射波的极化状态图。

附图标记说明：10、太赫兹波束扫描-极化复合调控器件；11、超表面；110、超周期；111、人工原子；1111、顶部硅柱；1112、硅衬底；1113、底部硅柱；12、旋转机构；20、太赫兹时域光谱***；201、发射器；202、第一透镜；203、四分之一波片；204、第二透镜；205、接收器。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

图1为本实施例提供的一种太赫兹波束扫描-极化复合调控器件10的结构示意图。如图1所示，太赫兹波束扫描-极化复合调控器件10由两层相同的超表面11级联而成。两层超表面11相远离的两个表面11分别固定连接一旋转机构12，旋转机构12带动对应的超表面11按照一定的旋转速度旋转，且两层超表面11的旋转轴线重合。

可选的，旋转机构12为圆形的电动金属转台。图2示出了应用电动金属转台的太赫兹波束扫描超表面器件10的立体结构示意图，图2仅为表明超表面11与旋转机构12的位置关系，因此未示出超表面11的具体结构，仅作示意用。该电动金属转台包括转盘121以及用于固定转盘121位置的固定支架(图中未示出)，超表面11贴附于转盘121的一个表面上，两层超表面11的相对位置可通过对应的转盘121的位置进行调整与固定。

本实施例中，两层超表面11互相平行设置，并相距一定距离h₄，h₄＝[200μm，1000μm]，优选的，h₄＝600μm。

图3(a)、图3(b)分别示出了每层超表面11的两侧表面的结构示意图。如图3(a)、图3(b)所示，每层超表面11均由多个超周期110按照周期性排列构成；每个超周期110均由十个人工原子111一字排列构成，人工原子在正交极化下的相位差ΔΦⁱ(r，t)＝-π/2，且平均相位

依次线性相加。

如图1和图4所示，每个人工原子111均包括一正方形的硅衬底1112，硅衬底1112的一侧沉积有截面形状为正方形的顶部硅柱1111，另一侧沉积有截面形状为矩形的底部硅柱1113。

如图3(a)所示，对于同一超周期110，按照排列顺序，十个人工原子111的顶部硅柱1111的截面尺寸递增或递减，且顶部硅柱1111的高度均相同；如图3(b)所示，十个人工原子111的底部硅柱1113的几何尺寸均相同。

如图1所示，两层级联的超表面11中的一层超表面11的底部硅柱1113与另一层超表面11的顶部硅柱1111相对设置，且互不接触。

人工原子111是在太赫兹波段具有高透效率的全介质型人工原子，其可以产生覆盖一个很广的范围内产生平均相位

和相位差ΔΦⁱ的值，可帮助实现控制波前的可设计功能的超表面器件。

为使太赫兹波束扫描-极化复合调控器件10具有高透射性能、覆盖范围广的波束转向能力以及极化调控能力，需要对人工原子111的顶部硅柱1111和底部硅柱1113的几何尺寸进行实验设计。

首先，在

极化波和

极化波的正入射下，固定硅衬底1112的边长P＝130μm和厚度h₂＝110μm以及底部硅柱1113的一截面边长ω_y＝40μm，利用时域有限差分法模拟人工原子111随底部硅柱1113的另一截面边长ω_x和高度h₃变化的相位差ΔΦⁱ和透射系数幅值

根据模拟得到的如图5(a)和图5(b)所示的两个相图，可以根据这两个相图确定具有高透射性能及预期相位差的底部硅柱1113的截面边长ω_x和高度h₃。

然后，在

极化波和

极化波的正入射下，固定ΔΦⁱ＝-π/2对应的底部硅柱1113的截面边长ω_x和高度h₃，利用时域有限差分法模拟计算人工原子随顶部硅柱1111的截面边长l和高度h₁变化的平均相位

和透射系数幅值

根据模拟得到的两个如图5(c)和图5(d)所示的相图，发现在h₁＝240μm时，随着l的改变，平均相位

的值能够覆盖2π的范围。

下面从理论分析和实验验证方面对该超表面器件的波束扫描能力和极化调控能力进行介绍。

先构建两个各向异性的透射型超表面11。超表面11的相位分布设置为线性梯度相位，根据广义斯涅耳折射定律，通过在光入射界面引入相位突变，可以改变光的传播路径。该超表面的相位突变由相位差依次线性叠加的单元结构产生，因此可以通过改变相位梯度来调控波前。

每层超表面11的对于两个正交极化入射的相位分布分别是

和

其中，

为

极化波入射第i层超表面11的相位，

为

极化波入射第i层超表面11的相位，梯度ξ₀＝0.33k₀，δ＝-π/2，表示相位差，i＝1，2。因此，可以推导出整个超表面器件的琼斯矩阵，如公式(1)：

该超表面器件具有一个切向的波束量k_||(t)，

可将正入射波偏折到一个与时间相关的偏离法线的方向上。

此时的极化调控算子

可被视为在庞加莱球上两个绕着轴

和

连续旋转δ角度的旋转操作，这两个旋转操作具体如图6所示。假设入射光是左旋圆极化波，即(Θ_in，Ψ_in)＝(0°，0°)，并且δ＝-π/2。对于同一超表面11，入射光先穿过顶部硅柱1111，再穿过底部硅柱1113，在入射光穿过第一层超表面11后，通过一个绕着

轴旋转δ角度的操作后，极化从一开始的|σ_in＞(即庞加莱球的北极点)变化为

(坐落在庞加莱球的赤道线上)。当光束穿过第二层超表面11，并且通过一个绕着

轴旋转δ角度的操作后，它的极化从

变成终态|σ_f＞。随着两层超表面11的旋转角度时间函数{α₁(t)，α₂(t)}在[0，2π]范围内变化时，透射波极化的中间状态

可以覆盖整个赤道，而极化的终态|σf＞可以覆盖整个庞加莱球。因此，原则上，通过选择合适的δ值和{α₁(t)，α₂(t)}函数，就可以实现透射波极化的任意调控。

然后，设计梯度ξ₀＝0.33k₀和相位差δ＝-π/2的超表面器件，其相位分布

和

如图7所示，用实验展示了其在0.7THz处的波调控功能。挑选十个人工原子111组成一个超周期110，这些人工原子111的正交极化下的相位差为ΔΦⁱ(r，t)＝-π/2，并且平均相位

依次线性相加π/5。

该超表面器件的底部硅柱1113的截面是长方形的，用来产生调控光束极化所需要的相位差。

通过数值分析该超表面器件的性能，假设每层超表面11的旋转速度不同，分别是{ω₁＝-π/(2T)，ω₂＝3π/(4T)}，然后用FDTD方法模拟该超表面器件的波束定向功能，其工作频率在0.7THz，入射源采用左旋圆极化波。图8和图9分别展示了通过公式(1)理论预测的透射波的传播方向和极化状态在一个周期内随时间t的演化，由图可知，该超表面器件不仅可以动态地将正入射的光束偏折到非法线的方向，还可以同时调控光束的极化状态。

用实验来表征该超表面器件的波束扫描功能，每层超表面11的旋转速度依旧定为{ω₁＝-π/(2T),ω₂＝3π/(4T)}，测试设备是太赫兹光谱仪远场***(THz-TDS)。

太赫兹时域光谱***20包括依次设置的发射器201、第一透镜202、四分之一波片203、第二透镜204和接收器205，太赫兹波束扫描-极化复合调控器件10设置于四分之一波片203和第二透镜204之间。每层超表面11的顶部硅柱1111相对于底部硅柱1113靠近第二透镜204，每层超表面11的底部硅柱1113相对于顶部硅柱1111靠近四分之一波片203，也就是说，发射器201发射的太赫兹光束先透射每层超表面11的底部硅柱1113，再透射该层超表面的顶部硅柱1111。

入射源设置为左旋圆极化的太赫兹波，然后测试[t＝0,(1/2)T,1T]这三个时刻的透射波的角功率分布，由图11中的圆圈表示，非常清晰地展示出这三个时刻的透射波偏折到一个特定的角度。图11同样展示了模拟结果，用实线表示。显然，实验结果和模拟结果非常吻合，此时的工作效率约为36％。

另外，还用实验表征上述三个时刻下透射波的极化状态。通过旋转线性极化接收器，THz-TDS***测试了两个正交方向上的透射波的幅值和相位信息，以此来确定透射波的极化状态。通过实验数据确定的[t＝0,(1/2)T,1T]这三个时刻的透射波的极化状态在图12中用圈圈表示，公式(1)的理论计算结果和数值模拟结果分别在图12中用虚线和实线表示。可以看出，三种结果都大致匹配。特别地，我们发现，随着时间的增加，透射光束的极化从圆极化变为椭圆极化，最后变为线性极化。

本实施例还公开一种波束扫描-极化天线，该波束扫描-极化天线由上述低损耗、低成本、易于加工的级联超表面结构构造而成，通过适当的相位分布构建，可以有效地改变太赫兹波的传播方向，实现更大扫描范围的覆盖，在太赫兹波段实现任意、快速、精准的波前调制，同时，可以动态地调控透射太赫兹光束的极化状态，因此，该波束扫描-极化天线可用于太赫兹雷达、生物化学传感和成像等诸多领域。

本实施例提出的动态调控光束波前和极化的替代方案，无需使用有源元件进行局部调控，并且通过太赫兹实验证实了该方案的有效性。本实施例提供的太赫兹波束扫描-极化复合调控器件由具有特定相位分布的两层透射型超表面组成，通过给不同层超表面不同的旋转速度，整个超表面器件会具有随着时间变化的琼斯矩阵，这样有助于动态调控波束的波前和极化。基于建立的理论，设计并制造了全介质材料的超表面器件，其可以动态地调控太赫兹光的波前和极化。

另外，需要理解的是，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种太赫兹波束扫描-极化复合调控器件，其特征在于，包括两层级联的超表面，每层所述超表面均由多个超周期按照周期性排列构成；

每个所述超周期均由十个人工原子一字排列构成；每个所述人工原子均由顶部硅柱、硅衬底和底部硅柱依次无缝层叠构成；所述顶部硅柱的截面形状和所述硅衬底的形状均为正方形，所述底部硅柱的截面形状为长方形；

所述两层级联的超表面互相平行设置，且所述两层级联的超表面中的一层超表面的底部硅柱与另一层超表面的顶部硅柱相靠近；

所述两层级联的超表面的相远离的两个表面分别固定一旋转机构，所述旋转机构带动对应的超表面旋转，且所述两层级联的超表面的旋转轴线重合；

所述人工原子在正交极化下的第i层超表面的相位差ΔΦⁱ(r,t)＝-π/2，r表示超表面上的位置，t表示时间，且第i层超表面的平均相位

依次线性相加π/5。

2.根据权利要求1所述的太赫兹波束扫描-极化复合调控器件，其特征在于，所述旋转机构为金属转台，所述超表面贴附于所述金属转台。

3.根据权利要求1或2所述的太赫兹波束扫描-极化复合调控器件，其特征在于，所述两层级联的超表面之间的距离为h₄，200μm≤h₄≤1000μm。

4.根据权利要求3所述的太赫兹波束扫描-极化复合调控器件，其特征在于，h₄＝600μm。

5.根据权利要求3所述的太赫兹波束扫描-极化复合调控器件，其特征在于，在

极化波和

极化波的正入射下,固定所述硅衬底的边长P和厚度h₂以及所述底部硅柱的一截面边长ω_y，利用时域有限差分法模拟所述人工原子的第i层超表面随所述底部硅柱的另一截面边长ω_x和高度h₃变化的相位差ΔΦⁱ和透射系数幅值

根据模拟得到的相图确定具有高透射性能及预期相位差的底部硅柱的截面边长ω_x和高度h₃，其中，

和

表示局域坐标系中的单位矢量，

极化波是极化方向沿着u轴的电磁波，

极化波是极化方向沿着v轴的电磁波。

6.根据权利要求5所述的太赫兹波束扫描-极化复合调控器件，其特征在于，在

极化波和

极化波的正入射下,固定ΔΦⁱ＝-π/2对应的底部硅柱的截面边长ω_x和高度h₃，利用时域有限差分法模拟计算所述人工原子的第i层超表面随所述顶部硅柱的截面边长l和高度h₁变化的平均相位

和透射系数幅值

根据模拟得到的相图确定具有预期的平均相位

的顶部硅柱的截面边长l和高度h₁。

7.根据权利要求1、2、4至6任一项所述的太赫兹波束扫描-极化复合调控器件，其特征在于，所述两层级联的超表面的旋转速度分别为ω₁＝-π/(2T)，ω₂＝3π/(4T)，T表示周期。

8.一种应用如权利要求1至7任一项所述的太赫兹波束扫描-极化复合调控器件的波束扫描-极化天线。

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