CN115202080A - 一种宽带高效的太赫兹偏振选择柔性超表面器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽带高效的太赫兹偏振选择柔性超表面器件，所述超表面器件的单元结构由三层金属结构与两层柔性聚酰亚胺介质层组成；在0.6～1.0THz宽带范围内具有高线偏振转换效率；该器件可以应用于实现宽带高效的波束偏转和涡旋波；为实现信息加密、太赫兹无线通信和光谱学等领域的宽带应用提供了思路。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹超材料以及电磁功能器件技术领域，具体为一种宽带高效的太赫兹偏振选择柔性超表面器件。
背景技术
近年来，太赫兹技术发展迅速，在许多基础研究和工程应用领域都展示出良好的前景。例如，由于频谱资源充足，太赫兹通信具有比现有微波通信更高的数据容量，偏振和轨道角动量(OAM)复用可以进一步增加信息容量。然而，传统的太赫兹器件通常受到体积大、效率低的限制，特别是在可用空间有限的情况下，例如超紧凑型成像***。超表面是由超薄亚波长结构组成的二维超材料，可以通过巧妙的设计结构的共振模式及其空间分布的变化，任意操纵超表面的输出电磁场，实现诸如平面透镜、光束偏转器、全息成像、和涡旋波发生器等各种功能器件。
高效率和宽带宽是衡量太赫兹透射型器件性能的重要指标。具有超薄、灵活和易于加工等优势的单层金属超表面器件能够有效调控太赫兹电磁波，实现了很多有趣的功能和现象，但由于单层金属结构只存在电谐振，其最大交叉极化效率被限制在25％。此外，一些太赫兹全介质超表面由于其低欧姆损耗也受到关注，但它们仍然受到窄带宽、不易共形等缺点的限制。目前，在太赫兹频段，能够实现宽带高效且具有偏振选择性能的柔性器件比较少见，能够对其应用性能进行有效表征的更是少见。
发明内容
发明目的：为解决在太赫兹频段，现有器件存在传输宽带窄及效率低等问题，本发明提出了一种宽带高效的太赫兹偏振选择柔性超表面器件及应用，通过有效设计金属结构图案，充分利用多层金属结构间的电磁响应，在太赫兹频率下可实现宽带且达到较高的偏振极化效率，并应用于波束偏转及涡旋波的非对称传输。
技术方案：一种宽带高效的太赫兹偏振选择柔性超表面器件，从顶层至底层依次包括：顶层金属结构、第一层柔性聚酰亚胺介质层、中间层金属结构、第二层柔性聚酰亚胺介质层和底层金属结构；
所述顶层金属结构包括一侧矩形光栅条纹、中间矩形光栅条纹和另一侧矩形光栅条纹；所述一侧矩形光栅条纹、中间矩形光栅条纹和另一侧矩形光栅条纹均沿y轴方向延伸；该一侧矩形光栅条纹的长度、中间矩形光栅条纹的长度和另一侧矩形光栅条纹的长度均相同，均与超表面器件的周期长度相同，且三者相互平行；一侧矩形光栅条纹和另一侧矩形光栅条纹关于中间矩形光栅条纹对称；一侧矩形光栅条纹的宽度和另一侧矩形光栅条纹的宽度相同；
所述中间层金属结构包括第一C形开口环、第二C形开口环和实心圆；所述第一C形开口环和第二C形开口环的开口角度相同，且两者的开口位置相反；所述第一C形开口环与第二C形开口环相交；所述实心圆位于第二C形开口环内；开口中点、开口环圆心和实心圆的圆心位于一条直线上；
所述底层金属结构与顶层金属结构相同，顶层金属结构旋转90°得到底层金属结构。
进一步的，所述第一层柔性聚酰亚胺介质层和第二层柔性聚酰亚胺介质层的厚度相同。
进一步的，所述第一层柔性聚酰亚胺介质层和第二层柔性聚酰亚胺介质层均由介电常数为3.5、损耗角正切为0.0027的柔性聚酰亚胺材料制备得到。
进一步的，所述直线与水平线的夹角为45°。
本发明的一种宽带高效的太赫兹偏振选择柔性超表面器件的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将聚酰亚胺液体旋涂在硅衬底上，经高温热烘固化后，得到第一聚酰亚胺薄膜，作为支撑层；
步骤2：经光刻、显影后，沉积厚度为200nm的金膜，然后通过剥离工艺在第一聚酰亚胺薄膜上形成底层金属结构；
步骤3：在底层金属结构上多次旋涂聚酰亚胺液体，经高温热烘固化后，得到第二聚酰亚胺薄膜，作为底层金属结构与中间层金属结构的第二层柔性聚酰亚胺介质层；
步骤4：经光刻、显影后，沉积厚度为200nm的金膜，然后通过剥离工艺在第二柔性聚酰亚胺介质层上形成中间层金属结构；
步骤5：在中间层金属结构上多次旋涂聚酰亚胺液体，经高温热烘固化后，得到第三聚酰亚胺薄膜，作为中间层金属结构与顶层金属结构的第一层柔性聚酰亚胺介质层；
步骤6：经光刻、显影后沉积厚度为200nm的金膜，然后通过剥离工艺在第一柔性聚酰亚胺介质层上形成顶层金属结构；形成样品；
步骤7：将样品在80°水浴中加热1小时后，用刀子或锋利的镊子在聚酰亚胺膜的边缘划出痕迹，将在硅衬底上的聚酰亚胺薄膜从硅衬底上剥离，得到一种宽带高效的太赫兹偏振选择柔性超表面器件。
本发明还公开了一种用于实现波束异常偏折功能的超表面器件，包括8个基本单元结构，8个所述基本单元结构按照：沿x轴方向按不同的相位梯度依次排布，沿y轴相位保持不变的排布规律进行排布；实现宽带范围内对入射的x偏振波束异常透射；每个所述基本单元结构均为上述公开的一种宽带高效的太赫兹偏振选择柔性超表面器件。
本发明还公开了一种用于产生宽带涡旋波功能的超表面器件，包括8个基本单元结构，根据涡旋波相位分布公式
确定携带不同拓扑荷数l的涡旋波发生器超表面的相位分布，基于涡旋波发生器超表面的相位分布，排布8个基本单元结构，实现宽带范围内涡旋波的调控；每个所述基本单元结构均为上述公开的一种宽带高效的太赫兹偏振选择柔性超表面器件。
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)本发明采用三层金属结构与两层柔性聚酰亚胺介质层组成，该多层结构形成了一个法布里-珀罗谐振腔，由此产生的反射和透射可以提高透射效率；此外多层金属结构间的电磁谐振及中间层金属结构的多模共振，使得该器件在宽带范围内达到较高的偏振转换效率。
(2)本发明仅通过调整开口环的开口角度与旋转中间金属结构即可得到8个相位梯度为45°的基本单元，实现交叉透射相位360°的覆盖范围。与其他器件相比，结构简单，易于加工，且具备大宽带、高效率特点，可用于实现多功能的太赫兹波调控。
附图说明
图1为一种宽带高效的太赫兹偏振选择柔性超表面器件结构示意图；其中，图1中的(a)为单元结构，图1中的(b)为顶层金属结构；图1中的(c)为中间层金属结构；图1中的(d)为底层金属结构；
图2为本发明的超表面单元结构透射系数与偏振转换系数(PCR)仿真与测量结果曲线图；其中，图2中的(a)为透射系数曲线，图2中的(b)为同极化与交叉极化对应的PCR；
图3为本发明的超表面8个基本单元结构的示意图及交叉透射系数；其中，图3中的(a)为8个单元结构示意图，后四个单元相对于前四个单元结构逆时针旋转90°；图3中的(b)为8个单元结构幅值分布；图3中的(c)为8个单元结构相位分布；
图4为本发明的超表面器件应用于异常偏折；其中图4中(a)为超表面单元结构排布；图4中(b)为x偏振方向电磁波入射到超表面器件时，透射产生y偏振方向的电磁波在不同频率的偏折角度分布；
图5为本发明的超表面器件应用于涡旋波的调控；其中，图5中(a)为拓扑荷数l＝+1的超表面单元结构排布；图5中(b)为拓扑荷数l＝+2的超表面单元结构排布；图5中的(c)为拓扑荷数l＝+1时x偏振方向电磁波入射透射时，产生y极化的涡旋波束电场分布；图5中的(d)为拓扑荷数l＝+2时x偏振方向电磁波入射时，透射产生y极化的涡旋波束电场分布。
具体实施方式
现结合附图和实施例进一步阐述本发明的技术方案。
实施例1：
本实施例公开了一种宽带高效的太赫兹偏振选择柔性超表面器件，其主要由三层金属结构与两层柔性聚酰亚胺介质层组成。该多层结构形成了一个法布里-珀罗谐振腔，由此产生的反射和透射可以提高透射效率；此外多层金属结构间的电磁谐振及中间层金属结构的多模共振，使得该器件在宽带范围内达到较高的偏振转换效率。。
如图1所示，该三层金属结构包括顶层金属结构1、中间层金属结构3和底层金属结构5；本实施例的三层金属结构的材料为金；两层柔性聚酰亚胺介质层包括第一层柔性聚酰亚胺介质层2和第二层柔性聚酰亚胺介质层4。
本实施例的柔性聚酰亚胺介质层由介电常数为3.5、损耗角正切为0.0027的柔性聚酰亚胺材料制备得到。且第一层柔性聚酰亚胺介质层2和第二层柔性聚酰亚胺介质层4的厚度相同。
本实施例的顶层金属结构1为金属光栅，该金属光栅的光栅条纹沿y轴方向；该光栅条纹包括三个长度相同且相互平行的矩形结构，记为两侧矩形和中间矩形；两侧矩阵宽度相同，且关于y轴对称；中间矩形位于金属光栅的中心位置。顶层金属结构1中的矩形结构长度与宽带高效的太赫兹偏振选择柔性超表面器件的周期长度相同。
本实施例的底层金属结构5与顶层金属结构1的光栅结构完全相同，但相对旋转90°，负责对入/出射电磁波偏振方向的选择。底层金属结构5中的矩形结构长度与宽带高效的太赫兹偏振选择柔性超表面器件的周期长度相同。
本实施例的中间层金属结构3由两个大小不同的C形开口环与一个实心圆组成，两个C形开口环的开口角度相同，但开口位置相反。为方便表述，记为第一C形开口环和第二C形开口环，第一C形开口环和第二C形开口环相交；实心圆位于第二C形开口环内；两个开口环的开口中点与圆环圆心以及实心圆圆心在一条直线上，且直线与水平方向夹角为45°。第一C形开口环的半径、第二C形开口环的半径、实心圆的半径、开口角度和C形开口环的宽度等这些结构参数通过仿真软件优化确定，以达到在宽带内有最高的偏振转换效率为目的。
实施例2：
本实施例公开了一种宽带高效的太赫兹偏振选择柔性超表面器件的制备方法，主要包括不同厚度的聚酰亚胺介质层的制备步骤、金属图案层的溅射步骤以及聚酰亚胺膜的剥离步骤，具体操作包括：
步骤1：将聚酰亚胺液体旋涂在硅衬底上，经高温热烘固化，得到厚度约为3μm的聚酰亚胺薄膜，作为底层金属结构的支撑层；本步骤中高温热烘固化条件为：分别在80℃、120℃、170℃、220℃温度下加热30min，最后在320℃加热2小时固化形成聚酰亚胺薄膜；
步骤2：经光刻、显影后，通过磁控溅射沉积10nm厚度的钛膜和200nm厚度的金膜，然后通过剥离工艺在支撑层上形成底层金属结构；
步骤3：在底层金属结构上多次旋涂聚酰亚胺液体，经高温热烘固化，得到厚度约为25μm的聚酰亚胺薄膜，作为底层金属结构与中间层金属结构的第二层柔性聚酰亚胺介质层；本步骤中高温热烘固化条件为：分别在80℃、120℃、170℃、220℃温度下加热30min，最后在320℃加热2小时固化形成聚酰亚胺薄膜。
步骤4：经光刻、显影后，通过磁控溅射沉积10nm厚度的钛膜和200nm厚度的金膜，然后通过剥离工艺在介质层上形成中间层金属结构；
步骤5：在中间层金属结构上多次旋涂聚酰亚胺液体，经高温热烘固化，得到厚度约为25μm的聚酰亚胺薄膜，作为中间层金属结构与顶层金属结构的第一层柔性聚酰亚胺介质层；本步骤中高温热烘固化条件为：分别在80℃、120℃、170℃、220℃温度下加热30min，最后在320℃加热2小时固化形成聚酰亚胺薄膜。
步骤6：经光刻、显影后，通过磁控溅射沉积10nm厚度的钛膜和200nm厚度的金膜，然后通过剥离工艺在步骤5得到的的介质层上形成顶层金属结构，得到样品；
步骤7：将样品在80°水浴中加热1小时，用刀子或锋利的镊子在聚酰亚胺膜的边缘划出痕迹，将在硅衬底上的聚酰亚胺薄膜从硅衬底上剥离，从而得到柔性超表面器件。
实施例3：
如图1所示，本实施例的柔性超表面器件主要由三层金属结构与两层柔性聚酰亚胺介质层组成；如图1所示，该三层金属结构包括顶层金属结构1、中间层金属结构3和底层金属结构5；本实施例的三层金属结构的材料为金，厚度均为0.2um。两层柔性聚酰亚胺介质层包括第一层柔性聚酰亚胺介质层2和第二层柔性聚酰亚胺介质层4。本实施例的柔性聚酰亚胺介质层由介电常数为3.5、损耗角正切为0.0027的柔性聚酰亚胺材料制备得到。且第一层柔性聚酰亚胺介质层2和第二层柔性聚酰亚胺介质层4的厚度相同h＝25um。
本实施例的顶层金属结构1为金属光栅，该金属光栅的光栅条纹沿y轴方向；该光栅条纹包括三个长度相同且相互平行的矩形结构，记为两侧矩形和中间矩形；两侧矩阵宽度相同，且关于y轴对称；中间矩形位于金属光栅的中心位置。顶层金属结构1中的矩形结构长度与宽带高效的太赫兹偏振选择柔性超表面器件的周期长度相同。如图1所示，本实施例设计的结构参数包括：周期长度P＝120μm，顶层金属结构的中间矩形的宽度d1＝25μm，顶层金属结构的两侧矩形的宽度d2＝10μm，中间矩形与两侧矩形之间的间距g＝20μm。
本实施例的底层金属结构5与顶层金属结构1的光栅结构完全相同，但相对旋转90°，负责对入/出射电磁波偏振方向的选择。底层金属结构5中的矩形结构长度与宽带高效的太赫兹偏振选择柔性超表面器件的周期长度相同。
本实施例的中间层金属结构3由两个大小不同的C形开口环与一个圆组成，两个C形开口环的开口角度相同，但开口位置相反；为方便表述，记为第一C形开口环和第二C形开口环，第一C形开口环和第二C形开口环相交；实心圆位于第二C形开口环内；两个开口环的开口中点与圆环圆心以及实心圆圆心在一条直线上，且直线与水平方向夹角为45°。
如图1所示，本实施例设计的结构参数包括：C形开口环的宽度w＝10μm，大的C形开口环的内半径r1＝30μm，小的C形开口环的内半径r2＝8μm，圆的半径r3＝12μm，C形开口环的开口角度a＝135°，大、小开口环以及实心圆的圆心分别为O1(12.5,12.5)、O2(-26.5,-26.5)、O3(20,20)。
为了表征上述超表面单元的电磁特性，对本实施例的超表面器件是按照以下步骤制备得到的：
步骤1：将聚酰亚胺液体(JA-101A1，南通晶爱微电子)旋涂在硅(500μm±25nm)衬底上，转速为1500转/15s，6000转/60s，然后经80℃、120℃、170℃、220℃温度下加热30min，最后在320℃加热2小时固化成厚度为3μm的聚酰亚胺薄膜，作为底层金属结构的支撑层；
步骤2：经光刻、显影后，通过磁控溅射沉积10nm厚度的钛膜和200nm厚度的金膜，然后通过剥离工艺在支撑层上形成底层金属结构；
步骤3：继续旋涂聚酰亚胺液体，转速为1500转/15s，3000转/60s，经高温热烘，固化后得到厚度约为8.3μm的聚酰亚胺薄膜，重复三次旋涂聚酰亚胺液体，最后形成厚度约为25μm的聚酰亚胺薄膜，作为底层与中间层金属结构的第二层柔性聚酰亚胺介质层；
步骤4：经光刻、显影后，通过磁控溅射沉积10nm厚度的钛膜和200nm厚度的金膜，然后通过剥离工艺在第二层柔性聚酰亚胺介质层上形成中间层金属结构；
步骤5：继续旋涂聚酰亚胺液体，转速为1500转/15s，3000转/60s，经高温热烘，固化后得到厚度约为8.3μm的聚酰亚胺薄膜，重复三次旋涂聚酰亚胺液体，最后形成厚度约为25μm的聚酰亚胺薄膜，作为顶层与中间层金属结构的第一层柔性聚酰亚胺介质层；
步骤6：经光刻、显影后，通过磁控溅射沉积10nm厚度的钛膜和200nm厚度的金膜，然后通过剥离工艺在第一层柔性聚酰亚胺介质层上形成顶层金属结构，得到样品；
步骤7：将样品在80°水浴中加热1小时，用刀子或锋利的镊子在聚酰亚胺膜的边缘划出痕迹，将聚酰亚胺薄膜从硅衬底上剥离，从而得到图1所示的柔性超表面器件。
现通过透射系数与偏转转换效率来说明本实施例超表面器件的特性。由图2可知，在工作频率0.5～1.0THz范围，交叉极化透射系数tyx接近1，交叉极化透射系数txy一直接近于零，而共极化透射系数txx和共极化透射系数tyy被抑制到0.3以下。此外，x偏振方向的偏振转换率在0.5～1.0THz宽带范围也接近100％。因此，本实施例的超表面器件能够在宽带范围内实现高的偏转转换效率。
此外，通过改变中间层金属结构3的C形开口环的开口角度大小以及通过旋转中间层金属结构3，可以调控交叉透射的相位覆盖范围，从而实现异常折射、涡旋波束调控等功能。如图3中的(a)所示，为通过改变C形开口环的开口角度及旋转中间结构，得到的8个基本单元结构，前4个单元结构对应的开口角度a分别为30°、95°、135°、166°，后4个单元结构开口角度不变，只是相对前4个单元结构逆时针旋转90°。8个单元结构的交叉透射系数如图3中的(b)、(c)所示，可以看到在0.6～1.0THz范围，透射幅值保持不变，相位梯度45°，8个单元结构相位覆盖360°范围。
实施例4：
本实施例提出了一种用于实现波束异常偏折功能的超表面器件，其主要包括：8个基本单元结构；8个基本单元结构的排布为：沿x轴方向按45°的相位梯度依次排布，y轴相位保持不变。本实施例的基本单元结构参见实施例1。
图4(a)为单元结构排布，图4(b)为交叉透射系数tyx在不同频率下波束的偏折角度分布，可以看到，在频率0.5～1.0THz范围，入射的x偏振波均以不同的角度透射为y偏振方向的电磁波，偏折角度满足广义斯涅尔折射定律。
实施例5：
本实施例提出了一种用于产生宽带涡旋波功能的超表面器件，其主要包括：8个基本单元结构；根据涡旋波相位分布公式
确定携带不同拓扑荷数l的涡旋波发生器超表面的相位分布，排布8个基本单元结构，实现宽带范围内涡旋波的调控。本实施例的基本单元结构参见实施例1。
图5为超表面器件应用于产生宽带涡旋波功能，其中，图5中的(a)为拓扑荷数l＝+1的超表面单元结构排布；图5中的(b)为拓扑荷数l＝+2的超表面单元结构排布；图5中的(c)为x偏振方向电磁波入射到拓扑荷数l＝+1超表面器件时，在频率f＝0.6THz、f＝0.8THz、f＝1.0THz处透射产生y偏振方向的涡旋波束的场强与相位分布；图5中的(d)为x偏振电磁波入射到拓扑荷数l＝+2超表面器件时，在频率f＝0.6THz、f＝0.8THz、f＝1.0THz处透射产生y偏振方向的涡旋波束的场强与相位分布。
实验与仿真结果吻合较好，表明本实施设计的超表面器件能够在0.6～1.0THz频率范围，实现宽带高效的涡旋波束调控。
本发明针对不同的电磁功能，超表面单元结构排列不同。
Claims (6)
1.一种宽带高效的太赫兹偏振选择柔性超表面器件，其特征在于：从顶层至底层依次包括：顶层金属结构(1)、第一层柔性聚酰亚胺介质层(2)、中间层金属结构(3)、第二层柔性聚酰亚胺介质层(4)和底层金属结构(5)；
所述顶层金属结构(1)包括一侧矩形光栅条纹、中间矩形光栅条纹和另一侧矩形光栅条纹；所述一侧矩形光栅条纹、中间矩形光栅条纹和另一侧矩形光栅条纹均沿y轴方向延伸；该一侧矩形光栅条纹的长度、中间矩形光栅条纹的长度和另一侧矩形光栅条纹的长度均相同，均与超表面器件的周期长度相同，且三者相互平行；一侧矩形光栅条纹和另一侧矩形光栅条纹关于中间矩形光栅条纹对称；一侧矩形光栅条纹的宽度和另一侧矩形光栅条纹的宽度相同；
所述中间层金属结构(3)包括第一C形开口环、第二C形开口环和实心圆；所述第一C形开口环和第二C形开口环的开口角度相同，且两者的开口位置相反；所述第一C形开口环与第二C形开口环相交；所述实心圆位于第二C形开口环内；开口中点、开口环圆心和实心圆的圆心位于一条直线上；
所述底层金属结构(5)与顶层金属结构(1)相同，顶层金属结构(1)旋转90°得到底层金属结构(5)。
2.根据权利要求1所述的一种宽带高效的太赫兹偏振选择柔性超表面器件，其特征在于：所述第一层柔性聚酰亚胺介质层(2)和第二层柔性聚酰亚胺介质层(4)的厚度相同。
3.根据权利要求1所述的一种宽带高效的太赫兹偏振选择柔性超表面器件，其特征在于：所述第一层柔性聚酰亚胺介质层(2)和第二层柔性聚酰亚胺介质层(4)均由介电常数为3.5、损耗角正切为0.0027的柔性聚酰亚胺材料制备得到。
4.根据权利要求1所述的一种宽带高效的太赫兹偏振选择柔性超表面器件，其特征在于：所述直线与水平线的夹角为45°。
5.一种用于实现波束异常偏折功能的超表面器件，其特征在于：包括8个基本单元结构，8个所述基本单元结构按照：沿x轴方向按不同的相位梯度依次排布，沿y轴相位保持不变的排布规律进行排布；实现宽带范围内对入射的x偏振波束异常透射；
每个所述基本单元结构均为根据权利要求1至4任意一项所述的一种宽带高效的太赫兹偏振选择柔性超表面器件。
6.一种用于产生宽带涡旋波功能的超表面器件，其特征在于：包括8个基本单元结构，根据涡旋波相位分布公式
确定携带不同拓扑荷数l的涡旋波发生器超表面的相位分布，基于涡旋波发生器超表面的相位分布，排布8个基本单元结构，实现宽带范围内涡旋波的调控；
每个所述基本单元结构均为根据权利要求1至4任意一项所述的一种宽带高效的太赫兹偏振选择柔性超表面器件。
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| CN202210915644.8A CN115202080A (zh) | 2022-08-01 | 2022-08-01 | 一种宽带高效的太赫兹偏振选择柔性超表面器件 |
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| CN (1) | CN115202080A (zh) |
Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN115911881A (zh) * | 2023-02-23 | 2023-04-04 | 天津大学 | 一种基于全介质材料的柔性可调制太赫兹滤波器 |
| CN116626920A (zh) * | 2023-07-21 | 2023-08-22 | 南京大学 | 一种与发光二极管集成的超表面偏振调制器 |
-
2022
- 2022-08-01 CN CN202210915644.8A patent/CN115202080A/zh active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115911881A (zh) * | 2023-02-23 | 2023-04-04 | 天津大学 | 一种基于全介质材料的柔性可调制太赫兹滤波器 |
| CN116626920A (zh) * | 2023-07-21 | 2023-08-22 | 南京大学 | 一种与发光二极管集成的超表面偏振调制器 |
| CN116626920B (zh) * | 2023-07-21 | 2023-11-03 | 南京大学 | 一种与发光二极管集成的超表面偏振调制器 |
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