CN114927878A - 一种基于Ni-Mn-Sn形状记忆合金的多功能太赫兹超材料偏振转换器件 - Google Patents
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Abstract
一种基于Ni‑Mn‑Sn形状记忆合金的多功能太赫兹超材料偏振转换器件。本发明涉及太赫兹超材料功能器件领域，具体涉及一种基于Ni‑Mn‑Sn形状记忆合金的多功能太赫兹超材料偏振转换器件。本发明是为解决现有太赫兹超材料存在的结构复杂、调控范围受限以及器件功能单一的问题。它由若干个结构单元周期性阵列而成；单个结构单元为三层结构，由上至下依次为合金谐振器、聚酰亚胺电介质层和金属衬底；合金谐振器为一个沿对角线方向的条状结构，该条状结构的中心由固定的正方形金属铜构成，沿对角线方向正方形金属铜的两侧设置有两个可形变Ni‑Mn‑Sn形状记忆合金构成的悬臂结构。本发明用于可动态调控的多功能太赫兹超材料器件。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹超材料功能器件领域，具体涉及一种基于Ni-Mn-Sn形状记忆合金的多功能太赫兹超材料偏振转换器件。
背景技术
太赫兹波的偏振操纵在无线通信、病毒检测、偏振成像和航空航天等领域发挥着重要作用。传统的偏振转换器通常基于法拉第效应或天然晶体的双折射。然而，由于自然材料的电磁响应通常很弱，通常需要长距离才能获得相位积累，这不利于偏振变换器的小型化和集成化。此外，由于天然材料中缺乏磁响应而导致阻抗失配问题，传统设备的效率普遍不足。超材料(MMs)是一种由金属或介电材料亚波长微阵列组成的人工材料，由于其奇异的电磁响应特性，为太赫兹波的调控提供了一种良好的解决方案。因此，人们花费了大量精力将超材料器件应用于各种太赫兹波中偏振态的操纵。然而，以往基于超构材料的太赫兹元器件均由金属材料构成，加工尺寸固定后，器件的功能在实际应用中便难以主动改变，这限制了它们在实际应用中的适用性。因此，发展主动调控的太赫兹元器件有着重要的研究意义。
目前，实现太赫兹波的主动调控主要基于两种不同的方式：基于材料本身性质的变化以及基于结构变形的作用。然而，这两种主动控制方式各有优缺点：基于材料性质变化通常只改变材料的导电性，因此只对响应函数的振幅进行调节，严重限制了调谐范围；基于结构变形作用的方法通常导致超材料由多层结构堆叠而成，使制造复杂化，从而阻碍了实际的应用。此外，这些方法都局限于主动控制单一参数，从而导致当前研究的太赫兹主动调控器件功能比较单一，即只能在单一外场下实现单一的功能。但单一功能难以适应当今技术发展的要求。因此，在单一器件上，实现多物理场的调控，并实现对太赫兹波的多功能调控，是当前太赫兹技术的发展前沿之一，也是实际应用的现实需求。
发明内容
本发明是为了解决现有太赫兹超材料存在的结构复杂、调控范围受限以及器件功能单一的问题，而提供一种基于Ni-Mn-Sn形状记忆合金的多功能太赫兹超材料偏振转换器件。
本发明的一种基于Ni-Mn-Sn形状记忆合金的多功能太赫兹超材料偏振转换器件由若干个结构单元周期性阵列而成；单个结构单元为三层结构，由上至下依次为Ni-Mn-Sn形状记忆合金谐振器、聚酰亚胺电介质层和金属衬底；所述Ni-Mn-Sn形状记忆合金谐振器为一个沿对角线方向的条状结构，该条状结构的中心由固定的正方形金属铜构成，沿对角线方向正方形金属铜的两侧设置有两个可形变Ni-Mn-Sn形状记忆合金构成的悬臂结构；所述周期性阵列的结构单元的周期为68～72μm，Ni-Mn-Sn形状记忆合金谐振器的厚度为2～4μm、边长为30～35μm、线宽为3～4μm，聚酰亚胺介质层的厚度为27～30μm，金属衬底的厚度为0.2～2μm。
本发明的有益效果：
1、本发明利用磁场驱动结构单元中超材料的可回复性超弹性形变，实现了结构单元中材料宏观结构变化，从而对超材料的偏振态进行调谐。与传统调控相比，具有响应快和非接触控制的优势。
2、本发明可实现可旋转半波片的作用。可以实现80°的广角极化旋转，相对带宽为61.3％，传输效率高。在旋转半波片基础上，还可以实现四分之一波片功能，可以使入射光进行线-圆偏振光之间的转换。
附图说明
图1为实施例一所述基于Ni-Mn-Sn形状记忆合金的多功能太赫兹超材料偏振转换器件的三维结构示意图；其中1为金属衬底、2为聚酰亚胺电介质层、3为Ni-Mn-Sn形状记忆合金谐振器；
图2为结构单元的俯视图；其中3-1为正方形金属铜、3-2为悬臂结构；
图3为施加磁场时弯曲形变角为-20°，可形变Ni-Mn-Sn形状记忆合金构成的悬臂结构随磁场变化的示意图；
图4为施加磁场时不发生形变，可形变Ni-Mn-Sn形状记忆合金构成的悬臂结构随磁场变化的示意图；
图5为施加磁场时弯曲形变角为20°，可形变Ni-Mn-Sn形状记忆合金构成的悬臂结构随磁场变化的示意图；
图6为可形变Ni-Mn-Sn形状记忆合金构成的悬臂结构不发生形变下的反射振幅曲线；
图7为可形变Ni-Mn-Sn形状记忆合金构成的悬臂结构弯曲形变角为20°下的反射振幅曲线；
图8为可形变Ni-Mn-Sn形状记忆合金构成的悬臂结构弯曲形变角为-20°下的反射振幅曲线；
图9为可形变Ni-Mn-Sn形状记忆合金构成的悬臂结构不发生形变下的偏振旋转角曲线；
图10为可形变Ni-Mn-Sn形状记忆合金构成的悬臂结构弯曲形变角为20°下的偏振旋转角曲线；
图11为可形变Ni-Mn-Sn形状记忆合金构成的悬臂结构弯曲形变角为-20°下的偏振旋转角曲线；
图12为基于Ni-Mn-Sn形状记忆合金的多功能太赫兹超材料偏振转换器在无形变情况下，出射时偏振光的偏振转化率曲线；
图13为基于Ni-Mn-Sn形状记忆合金的多功能太赫兹超材料偏振转换器在无形变情况下，出射时偏振光线偏振度曲线；
图14为基于Ni-Mn-Sn形状记忆合金的多功能太赫兹超材料偏振转换器在无形变情况下，出射时偏振光的椭圆率曲线；
图15为基于Ni-Mn-Sn形状记忆合金的多功能太赫兹超材料偏振转换器在无形变情况下，出射时偏振光的相位差曲线；
图16为基于Ni-Mn-Sn形状记忆合金的多功能太赫兹超材料偏振转换器发生形变的偏振旋转角变化图；
图17为基于Ni-Mn-Sn形状记忆合金的多功能太赫兹超材料偏振转换器发生形变的线偏振度变化图；
图18为基于Ni-Mn-Sn形状记忆合金的多功能太赫兹超材料偏振转换器发生形变的偏振转换率变化图；
图19为基于Ni-Mn-Sn形状记忆合金的多功能太赫兹超材料偏振转换器发生形变的椭圆率变化图。
具体实施方式
具体实施方式一：如附图所示，本实施方式的一种基于Ni-Mn-Sn形状记忆合金的多功能太赫兹超材料偏振转换器件由若干个结构单元周期性阵列而成；单个结构单元为三层结构，由上至下依次为Ni-Mn-Sn形状记忆合金谐振器、聚酰亚胺电介质层和金属衬底；所述Ni-Mn-Sn形状记忆合金谐振器为一个沿对角线方向的条状结构，该条状结构的中心由固定的正方形金属铜构成，沿对角线方向正方形金属铜的两侧设置有两个可形变Ni-Mn-Sn形状记忆合金构成的悬臂结构；所述周期性阵列的结构单元的周期为68～72μm，Ni-Mn-Sn形状记忆合金谐振器的厚度为2～4μm、边长为30～35μm、线宽为3～4μm，聚酰亚胺介质层的厚度为27～30μm，金属衬底的厚度为0.2～2μm。
传统热驱形状记忆合金虽然可以产生大的可逆恢复应变和应力，但其响应频率(约为1Hz)十分受限。本实施方式采用磁驱形状记忆合金，相较于传统热控形状记忆合金具有较高的响应频率(～kHz)，且磁感生应变比磁致伸缩材料和压电材料的输出应变高一个数量级以上。通过NiMnSn合金在外磁场作用下发生的磁驱马氏体相变，可导致材料介电特性和形状的快速改变。利用此特点，将NiMnSn合金与超材料设计结合，可实现磁场作用下材料特性和材料结构的双重调制。
本实施方式通过设计一种全新的基于NiMnSn形状记忆合金的超材料器件，利用形状记忆合金马氏体相变前后形变的可调节性，使得该超材料器件的设计结构简单，加工方便，可在同一器件中实现性能优异的线偏振光旋转和线-圆偏振光转化双重功能，同时具备动态可调的性能，极大的满足了对太赫兹调控方面的应用要求。
大多数超材料的结构单元都是金、银、铝等金属构成，结构一旦固定，调谐性能有限，和其他可调谐材料组合又会增加工艺的复杂性，本实施方式中的结构单元可直接由在聚酰亚胺上沉积形状记忆合金超薄膜构成，工艺简单。
本实施方式的Ni-Mn-Sn磁性记忆合金既有传统温控形状记忆合金的典型特征,又能够由磁场诱发产生形状记忆效应,是一种集“传感”与“驱动”的新型智能材料。该合金的工作温度的调整，可通过对合金成分以及制备工艺进行设计来完成。
本实施方式控制聚酰亚胺介质层的厚度，太大或太小会导致产生的相位差达不到180度和90度；同时为了防止电磁波透过金属衬底，降低传输效率，限定了金属衬底的厚度。而周期结构长度决定了该器件工作频率范围，同时边长的范围不能大于周期长度，最后为了使形状记忆合金更好的发生的弯曲形变，谐振器厚度不能太小于线宽。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述聚酰亚胺电介质层的介电常数ε＝3.5，介电损耗为2×10-3。其它步骤与参数与具体实施方式一相同。
本实施方式聚酰亚胺的稳定的介电常数ε＝3.5，所以折射率稳定；聚酰亚胺的低介电损耗意味着对电磁波的损耗率低，有利于电磁波在介质层中的传输。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述周期性阵列的结构单元的周期为70μm。其它步骤与参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述Ni-Mn-Sn形状记忆合金谐振器的厚度为3μm、边长为35μm、线宽为4μm。其它步骤与参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述聚酰亚胺介质层的厚度为27.5μm。其它步骤与参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述金属衬底为金属铜衬底。其它步骤与参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述金属衬底的厚度为0.5μm。其它步骤与参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述基于Ni-Mn-Sn形状记忆合金的多功能太赫兹超材料偏振转换器件通过施加外加磁场，改变Ni-Mn-Sn形状记忆合金构成的悬臂结构的旋转角度。其它步骤与参数与具体实施方式一至七之一相同。
通过以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：基于Ni-Mn-Sn形状记忆合金的多功能太赫兹超材料偏振转换器件由若干个结构单元周期性阵列而成；单个结构单元为三层结构，由上至下依次为Ni-Mn-Sn形状记忆合金谐振器3、聚酰亚胺电介质层2和金属衬底1；所述Ni-Mn-Sn形状记忆合金谐振器为一个沿对角线方向的条状结构，该条状结构的中心由固定的正方形金属铜3-2构成，沿对角线方向正方形金属铜3-2的两侧设置有两个可形变Ni-Mn-Sn形状记忆合金构成的悬臂结构3-1；所述周期性阵列的结构单元的周期p＝70μm，Ni-Mn-Sn形状记忆合金谐振器的厚度h3＝3μm、边长l＝35μm、线宽w＝4μm，聚酰亚胺介质层的厚度h2＝27.5μm，金属衬底的厚度h1＝0.5μm。
基于Ni-Mn-Sn形状记忆合金的多功能太赫兹超材料偏振转换器件如图3～图5所示，由于NiMnSn形状记忆合金的可恢复性弹性形变可以通过调节外加磁场激励实现的，磁场与谐振器形变之间有着特定的关系。因此，通过改变外部磁场强度可实现对基于NiMnSn形状记忆合金超材料的电偶极子谐振的动态调制。
由图6～图11可以看出，本实施例能够通过改变NiMnSn形状记忆合金谐振器悬臂梁的形状来改变电磁性能。外磁场激励可使基于NiMnSn形状记忆合金太赫兹超材料悬臂发生弯曲改变，形成不同的重构结构，从而灵活调控传输曲线的频率、带宽、振幅和相位等信息。当NiMnSn不发生弯曲形变时，在1.04～1.96THz范围内，交叉极化反射振幅占主导，超材料的偏振旋转角为90度；当弯曲形变为20°时，超材料交叉极化反射振幅与共极化反射振幅值接近，偏振旋转角为50°；当弯曲形变为-20°时，超材料叉极化反射振幅略大于共极化反射振幅，偏振旋转角为-60°。
由图12、图13可以看出，当NiMnSn不发生形变时，在1.04～1.96THz工作频率内的偏振转换率和线偏振度均大于90％，这表明在该频率范围内可以实现高效率的线偏振旋转。
由图14、图15可以看出，当NiMnSn形状记忆合金谐振器悬臂梁的弯曲角度为0°时，0.89THz处出射光的椭圆率接近-1，且相位差约为-90°此时出射光为右旋圆偏振光；2.09THz处椭圆率接近于1，且相位差约为90°，此时的出射光为左旋圆偏振光；在1.04～1.96THz范围内该器件的椭圆率接近于0，且相位差约为180°，此频率范围内出射光为线偏振光。
由图16～图19可以看出，当基于NiMnSn形状记忆合金超材料的悬臂梁发生弯曲形变时，在1.04～1.96THz的宽带范围内偏振转换率(入射波转换为其交叉偏振反射模式)大于90％且该器件的椭圆率不发生改变。同时，由于在1.04～1.96THz频率范围内线偏振度比大于0.96，所以出射光可看作线偏振光。随着金属薄膜发生弯曲形变，该偏振转换器可以方便地将线偏振光的偏振方向在传输模式下在50°到90°和-90°到-60°的范围内旋转任意所需角度。在0.89THz和2.09THz范围处，该器件的椭圆率和相位差不随结构形变而改变，因此在此频率范围内器件始终具备线-圆偏振光转化的功能。
综上所述，当NiMnSn形状记忆合金在外磁场作用下发生马氏体相变时，该超材料可实现高效率和多功能的太赫兹偏振调制。
Claims (8)
1.一种基于Ni-Mn-Sn形状记忆合金的多功能太赫兹超材料偏振转换器件，其特征在于基于Ni-Mn-Sn形状记忆合金的多功能太赫兹超材料偏振转换器件由若干个结构单元周期性阵列而成；单个结构单元为三层结构，由上至下依次为Ni-Mn-Sn形状记忆合金谐振器、聚酰亚胺电介质层和金属衬底；所述Ni-Mn-Sn形状记忆合金谐振器为一个沿对角线方向的条状结构，该条状结构的中心由固定的正方形金属铜构成，沿对角线方向正方形金属铜的两侧设置有两个可形变Ni-Mn-Sn形状记忆合金构成的悬臂结构；所述周期性阵列的结构单元的周期为68～72μm，Ni-Mn-Sn形状记忆合金谐振器的厚度为2～4μm、边长为30～35μm、线宽为3～4μm，聚酰亚胺介质层的厚度为27～30μm，金属衬底的厚度为0.2～2μm。
2.根据权利要求1所述的一种基于Ni-Mn-Sn形状记忆合金的多功能太赫兹超材料偏振转换器件，其特征在于所述聚酰亚胺电介质层的介电常数ε＝3.5，介电损耗为2×10-3。
3.根据权利要求1所述的一种基于Ni-Mn-Sn形状记忆合金的多功能太赫兹超材料偏振转换器件，其特征在于所述周期性阵列的结构单元的周期为70μm。
4.根据权利要求1所述的一种基于Ni-Mn-Sn形状记忆合金的多功能太赫兹超材料偏振转换器件，其特征在于所述Ni-Mn-Sn形状记忆合金谐振器的厚度为3μm、边长为35μm、线宽为4μm。
5.根据权利要求1所述的一种基于Ni-Mn-Sn形状记忆合金的多功能太赫兹超材料偏振转换器件，其特征在于所述聚酰亚胺介质层的厚度为27.5μm。
6.根据权利要求1所述的一种基于Ni-Mn-Sn形状记忆合金的多功能太赫兹超材料偏振转换器件，其特征在于所述金属衬底为金属铜衬底。
7.根据权利要求1所述的一种基于Ni-Mn-Sn形状记忆合金的多功能太赫兹超材料偏振转换器件，其特征在于所述金属衬底的厚度为0.5μm。
8.根据权利要求1所述的一种基于Ni-Mn-Sn形状记忆合金的多功能太赫兹超材料偏振转换器件，其特征在于所述基于Ni-Mn-Sn形状记忆合金的多功能太赫兹超材料偏振转换器件通过施加外加磁场，改变Ni-Mn-Sn形状记忆合金构成的悬臂结构的旋转角度。
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