CN115047547B - 一种双频太赫兹空间波操控器件的构造方法 - Google Patents

一种双频太赫兹空间波操控器件的构造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双频太赫兹空间波操控器件的构造方法，属于超材料器件与太赫兹技术领域，包括如下步骤：基于全介质材料构造超表面元胞；基于超表面元胞分别构建得到第一超表面和第二超表面；将第一超表面与第二超表面进行空间交织，得到第三超表面，完成双频太赫兹空间波操控器件的构造；本发明基于断裂分离的全介质矩形条构造超表面元胞，工作在不同频点的元胞结构轴正交，因此交织后的元胞空间、几何中心和大小不变，结构紧凑，串扰微弱，本发明解决了难以通过一个超表面实现对两个太赫兹频点的波前操控的问题。

Description

一种双频太赫兹空间波操控器件的构造方法
技术领域
本发明属于超材料器件与太赫兹技术领域，尤其涉及一种双频太赫兹空间波操控器件的构造方法。
背景技术
光学超表面是现代微纳光子学研究的重要课题之一，通过控制光的电磁波特性(包括频率、偏振、振幅和相位)和光子特性(如轨道角动量和自旋角动量)，可以在空间域操纵光信息。由于其特殊的光操纵特性，光学超表面在信息光学、量子光学和成像光学等领域显示出广阔的应用前景，具有较高研究价值。
近年来，通过优化结构设计和空间布局，提出了空间交织超表面。空间交织超表面可视为两个及以上的超表面的集合。空间交织的超表面可以在空间交织之前保持超表面的原始功能，还可以诱导相消或相长干涉以生成新功能；因此，在偏振、相位、轨道角动量、自旋角动量和波的多重物理性质方面，空间交织超表面通常比普通超表面表现出更强大的操纵能力。但目前通过一个超表面对两个太赫兹频点进行波前操控和交织超表面结构重叠导致元胞集成度不足且串扰高的问题亟需解决。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种双频太赫兹空间波操控器件的构造方法解决了难以通过一个超表面实现对两个太赫兹频点的波前操控的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
本发明提供一种双频太赫兹空间波操控器件的构造方法，包括如下步骤：
S1、基于全介质材料构造超表面元胞；
S2、基于超表面元胞分别构建得到第一超表面和第二超表面；
S3、将第一超表面与第二超表面进行空间交织，得到第三超表面，完成双频太赫兹空间波操控器件的构造。
本发明的有益效果为：本发明提供的一种双频太赫兹空间波操控器件的构造方法基于断裂分离的全介质矩形条构造超表面元胞，工作在不同频点的元胞结构轴正交，因此交织后的元胞空间、几何中心和大小不变，结构紧凑，串扰微弱，且通过本方法构建的第三超表面可以独立操控两个太赫兹频率的空间光束传播属性，这是普通波前操控超构器件不能实现的，本方案相对现有波前操控超构器件集成性更高，应用范围更广。
进一步地，所述步骤S1包括如下步骤：
S11、基于全介质材料构建矩形条元胞；
S12、通过将矩形条元胞横向断裂分离和纵向断裂分离分别得到第一分离结构和第二分离结构；
S13、将第一分离结构与第二分离结构的结构轴正交，得到超表面元胞。
采用上述进一步方案的有益效果为：通过断裂分离的全介质矩形条作为基本结构，且将工作在不同频点的两类分离结构的结构轴正交，确保交织后得到的元胞空间和几何中心不变。
进一步地，所述矩形条元胞包括如下结构参数：
衬底厚度h1为300μm；
介质柱高度h2为200μm；
元胞晶格常数P为160μm。
采用上述进一步方案的有益效果为：通过断裂分离得到的超表面元胞与矩形条元胞等价，其结构参数仍与完整矩形条的长宽一致，通过恰当的矩形条元胞参数设计可以确保交织后的结构无重叠，结构紧凑，元胞间串扰微弱。
进一步地，所述步骤S2包括如下步骤：
S21、基于超表面元胞分别构建工作在第一频率的第一元胞组和工作在第二频率的第二元胞组；
S22、分别构建第一超表面相位轮廓和第二超表面相位轮廓：
Figure BDA0003663791780000031
Figure BDA0003663791780000032
其中，
Figure BDA0003663791780000033
和/>
Figure BDA0003663791780000034
分别表示第一超表面相位轮廓和第二超表面相位轮廓，λ1和λ2分别表示第一频率和第二频率，x1和y1分别表示第一超表面的横坐标点和纵坐标点，x0和y0分别表示空间光束焦点在第一超表面上的投影横坐标和投影纵坐标，x2和y2分别表示第二超表面的横坐标点和纵坐标点，x′0和y′0分别表示空间光束焦点在第二超表面上的投影横坐标和投影纵坐标，f1和f2分别表示第一超表面的空间光束焦点的焦距和第二超表面的空间光束焦点的焦距，δ表示方位角；
S23、利用第一元胞组按照第一超表面相位轮廓构造第一超表面；
S24、利用第二元胞组按照第二超表面相位轮廓构造第二超表面。
采用上述进一步方案的有益效果为：利用超表面元胞根据工作频率不同分别设置第一元胞组和第二元胞组，通过第一元胞组和第二元胞组分别构建第一超表面和第二超表面，为构建能够实现双频太赫兹波前操控的第三超表面提供基础。
进一步地，所述第一元胞组和第二元胞组均包括数量一致的超表面元胞；所述第一元胞组中的超表面元胞的相对相移覆盖为0-2π；所述第二元胞组中的超表面元胞的相对相移覆盖为0-2π。
采用上述进一步方案的有益效果为：工作在同一频点下的一组元胞的相对相移覆盖0—2π，且结构轴取向一致；但不同工作频率的两组元胞的结构轴正交，因此交织后的元胞空间和几何中心不变。
附图说明
图1为本发明实施例中双频太赫兹空间波操控器件的构造方法的步骤流程图。
图2为本发明实施例中基于全介质材料构造超表面元胞的示意图。
图3为本发明实施例中通过第一超表面与第二超表面进行空间交织得到第三超表面的示意图。
图4为本发明实施例中空间交织超标表面的功能示意图。
图5(a)为本发明实施例中两个工作在不同频点的超表面空间交织示意图。
图5(b)为本发明实施例中空间交织超表面的实际样品图与扫描电镜图。
图5(c)为本发明实施例中双频太赫兹空间波操控器件的模拟与实验测试的第一结果示意图；
图5(d)为本发明实施例中双频太赫兹空间波操控器件的模拟与实验测试的第二结果示意图；
图5(e)为本发明实施例中双频太赫兹空间波操控器件的模拟与实验测试的第三结果示意图；
图5(f)为本发明实施例中双频太赫兹空间波操控器件的模拟与实验测试的第四结果示意图；
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例1
如图1所示，在本发明的一个实施例中，本发明提供一种双频太赫兹空间波操控器件的构造方法，包括如下步骤：
S1、基于全介质材料构造超表面元胞；
所述步骤S1包括如下步骤：
S11、基于全介质材料构建矩形条元胞；
S12、通过将矩形条元胞横向断裂分离和纵向断裂分离分别得到第一分离结构和第二分离结构；
S13、将第一分离结构与第二分离结构的结构轴正交，得到超表面元胞；
所述矩形条元胞包括如下结构参数：
衬底厚度h1为300μm；
介质柱高度h2为200μm；
元胞晶格常数P为160μm；
S2、基于超表面元胞分别构建得到第一超表面和第二超表面；
所述步骤S2包括如下步骤：
S21、基于超表面元胞分别构建工作在第一频率的第一元胞组和工作在第二频率的第二元胞组；
S22、分别构建第一超表面相位轮廓和第二超表面相位轮廓：
Figure BDA0003663791780000061
Figure BDA0003663791780000062
其中，
Figure BDA0003663791780000063
和/>
Figure BDA0003663791780000064
分别表示第一超表面相位轮廓和第二超表面相位轮廓，λ1和λ2分别表示第一频率和第二频率，x1和y1分别表示第一超表面的横坐标点和纵坐标点，x0和y0分别表示空间光束焦点在第一超表面上的投影横坐标和投影纵坐标，x2和y2分别表示第二超表面的横坐标点和纵坐标点，x′0和y′0分别表示空间光束焦点在第二超表面上的投影横坐标和投影纵坐标，f1和f2分别表示第一超表面的空间光束焦点的焦距和第二超表面的空间光束焦点的焦距，δ表示方位角；
S23、利用第一元胞组按照第一超表面相位轮廓构造第一超表面；
S24、利用第二元胞组按照第二超表面相位轮廓构造第二超表面；
所述第一元胞组和第二元胞组均包括数量一致的超表面元胞；所述第一元胞组中的超表面元胞的相对相移覆盖为0-2π；所述第二元胞组中的超表面元胞的相对相移覆盖为0-2π；
S3、将第一超表面与第二超表面进行空间交织，得到第三超表面，完成双频太赫兹空间波操控器件的构造。
本发明提供的一种双频太赫兹空间波操控器件的构造方法基于断裂分离的全介质矩形条构造超表面元胞，工作在不同频点的元胞结构轴正交，因此交织后的元胞空间、几何中心和大小不变，结构紧凑，串扰微弱，且通过本方法构建的第三超表面可以独立操控两个太赫兹频率的空间光束传播属性，这是普通波前操控超构器件不能实现的，本方案相对现有波前操控超构器件集成性更高，应用范围更广。
实施例2
在本发明的一个实用实例中，本发明使用电阻率为0.03S/m，介电常数为11.9的高阻硅全介质材料构建矩形条元胞；
如图2所示，矩形条元胞衬底厚h1＝300μm，介质柱高均为h2＝200μm，元胞晶格常数为P＝160μm，并通过将矩形条元胞横向断裂分离和纵向断裂分离分别得到第一分离结构和第二分离结构；将将第一分离结构与第二分离结构的结构轴正交，得到超表面元胞。
基于超表面元胞分别构建工作在0.8THz的第一元胞组和工作在1THz的第二元胞组；每一组超表面元胞数量均为六个，且工作在同一频点下的六个超表面元胞的相对相移覆盖0—2π；但两组元胞的结构轴正交，其中工作在0.8THz的元胞组结构轴取向沿空间坐标系中的Y方向，工作在1THz的元胞结构轴取向沿空间坐标系中的X方向；且由于超表面元胞由矩形条元胞断裂分离后构建得到，其与完整矩形条元胞等价，其结构参数与单个完整矩形元胞的长度参数l和宽度参数W一致，如表1所示：
表1
Figure BDA0003663791780000071
如图3所示，分别构建第一超表面相位轮廓和第二超表面相位轮廓：
Figure BDA0003663791780000081
Figure BDA0003663791780000082
其中，
Figure BDA0003663791780000083
和/>
Figure BDA0003663791780000084
分别表示第一超表面相位轮廓和第二超表面相位轮廓，λ1和λ2分别表示第一频率和第二频率，x1和y1分别表示第一超表面的横坐标点和纵坐标点，x0和y0分别表示空间光束焦点在第一超表面上的投影横坐标和投影纵坐标，x2和y2分别表示第二超表面的横坐标点和纵坐标点，x′0和y′0分别表示空间光束焦点在第二超表面上的投影横坐标和投影纵坐标，f1和f2分别表示第一超表面的空间光束焦点的焦距和第二超表面的空间光束焦点的焦距，δ表示方位角；
工作在0.8THz的超表面相位轮廓为第一超表面相位轮廓，工作在1THz的超表面相位轮廓为第二超表面相位轮廓，利用第一元胞组按照第一超表面相位轮廓构造第一超表面，并利用第二元胞组按照第二超表面相位轮廓构造第二超表面；
第一超表面和第二超表面的相位分别表示一个方位角为δ、拓扑荷为2的涡旋聚焦功能和一个纯聚焦功能；
将第一超表面与第二超表面进行空间交织，得到第三超表面，其中，工作在0.8THz的超表面元胞组结构轴取向沿空间坐标系中的Y方向，工作在1THz的元胞结构轴取向沿空间坐标系中的X方向；交织后的元胞空间不变、几何中心不变、结构无重叠，如图3所示；
如图4所示，第一超表面与第二超表面交织后得到的第三超表面可以工作在两个频点，且两个频点的焦距与焦点都不同；工作在f2＝0.8THz的超表面表现一个拓扑荷为2的中心暗点的涡旋聚焦光圈；工作在f1＝1THz的超表面表现一个纯聚焦光斑；
如图5(a)和图5(b)所示，为实验样品交织流程和结果展示，对0.8THz监测的超表面模拟和实验结果如图5(c)和5(d)所示，可以观察到一个中心暗点的聚焦光圈，拓扑荷为2，结果与预期一致。对1THz监测的超表面模拟和实验结果如图5(e)和5(f)所示，可以观察到一个纯聚焦光斑，结果与预期一致，实验与模拟结果表明此超表面成功实现对两个太赫兹频点的波前操控。
本发明所用元胞基于断裂分离的全介质矩形条，且每一个超表面元胞都由两种工作在不同频率的元胞分类结构经过巧妙的空间交织而成，交织后得到的超表面元胞保留了交织前各元胞的几何中心，且元胞大小不变，结构紧凑，串扰微弱；根据本方法构建的双频太赫兹空间波操控器件可以独立操控两个太赫兹频率的空间光束传播属性，这是普通波前操控超构器件不能实现的，此器件集成性更高，应用范围更广，且为空间太赫兹波操控开辟了新道路。

Claims (3)

1.一种双频太赫兹空间波操控器件的构造方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、基于全介质材料构造超表面元胞；
所述步骤S1包括如下步骤：
S11、基于全介质材料构建矩形条元胞；
S12、通过将矩形条元胞横向断裂分离和纵向断裂分离分别得到第一分离结构和第二分离结构；
S13、将第一分离结构与第二分离结构的结构轴正交，得到超表面元胞；
S2、基于超表面元胞分别构建得到第一超表面和第二超表面；
所述步骤S2包括如下步骤：
S21、基于超表面元胞分别构建工作在第一频率的第一元胞组和工作在第二频率的第二元胞组；
S22、分别构建第一超表面相位轮廓和第二超表面相位轮廓：
Figure FDA0004175298020000011
Figure FDA0004175298020000012
其中，
Figure FDA0004175298020000013
和/>
Figure FDA0004175298020000014
分别表示第一超表面相位轮廓和第二超表面相位轮廓，λ1和λ2分别表示第一频率和第二频率，x1和y1分别表示第一超表面的横坐标点和纵坐标点，x0和y0分别表示空间光束焦点在第一超表面上的投影横坐标和投影纵坐标，x2和y2分别表示第二超表面的横坐标点和纵坐标点，x′0和y′0分别表示空间光束焦点在第二超表面上的投影横坐标和投影纵坐标，f1和f2分别表示第一超表面的空间光束焦点的焦距和第二超表面的空间光束焦点的焦距，δ表示方位角；
S23、利用第一元胞组按照第一超表面相位轮廓构造第一超表面；
S24、利用第二元胞组按照第二超表面相位轮廓构造第二超表面；
S3、将第一超表面与第二超表面进行空间交织，得到第三超表面，完成双频太赫兹空间波操控器件的构造。
2.根据权利要求1所述的双频太赫兹空间波操控器件的构造方法，其特征在于，所述矩形条元胞包括如下结构参数：
衬底厚度h1为300μm；
介质柱高度h2为200μm；
元胞晶格常数P为160μm。
3.根据权利要求1所述的双频太赫兹空间波操控器件的构造方法，其特征在于，所述第一元胞组和第二元胞组均包括数量一致的超表面元胞；所述第一元胞组中的超表面元胞的相对相移覆盖为0-2π；所述第二元胞组中的超表面元胞的相对相移覆盖为0-2π。
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