[發(fā)明專利]超表面太赫茲動態(tài)反射式極化調(diào)制器

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710356417.5
• 申請日: 2017-05-19
• 公開（公告）號: CN107359388A
• 公開（公告）日: 2017-11-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 蘭峰;武曉芳;楊梓強;史宗君
• 申請（專利權(quán)）人: 電子科技大學
• 主分類號: H01P1/165
• 分類號: H01P1/165;H01P1/17
• 代理公司: 成都惠迪專利事務(wù)所(普通合伙)51215
• 代理人: 劉勛

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電磁波全矢量傳輸調(diào)控器件技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于超表面動態(tài)可調(diào)太赫茲反射式極化轉(zhuǎn)化器。

背景技術(shù)

太赫茲(Terahertz,THz)技術(shù)在安全檢測，無線通信，無損檢測，成像等領(lǐng)域有著快速的發(fā)展。高性能的太赫茲極化調(diào)控器件是太赫茲通信、成像和檢測等系統(tǒng)的核心器件，在通信、導航、雷達、制導等高科技領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。傳統(tǒng)電磁材料制備的極化調(diào)控器件主要基于Faraday效應(yīng)和雙折射原理等傳統(tǒng)光學理論，需要較長的傳播距離、外加磁場和復雜的結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生相位延遲或極化旋轉(zhuǎn)，在極化轉(zhuǎn)換效率、極化調(diào)制/隔離、相移控制、插入損耗和集成度等方面無法滿足太赫茲應(yīng)用集成系統(tǒng)的要求，是制約太赫茲技術(shù)應(yīng)用的主要技術(shù)瓶頸之一。超表面(Matesurface)作為超薄亞波長厚度的平面超材料，具有高旋光性、電磁隧道效應(yīng)、Casimir斥力、不需外加磁場和高集成度的優(yōu)勢。若引入手征結(jié)構(gòu)設(shè)計，將實現(xiàn)超強極化旋轉(zhuǎn)(石英晶體的100000倍)、非對稱透射、高極化轉(zhuǎn)換效率、高品質(zhì)因數(shù)和負折射率等特性，并且具有設(shè)計靈活、結(jié)構(gòu)簡單、高度集成等優(yōu)點，極大地突破了傳統(tǒng)電磁波極化調(diào)控器件的限制。然而現(xiàn)代通信技術(shù)的高速發(fā)展，保密通信等技術(shù)要求信號的傳輸過程中電磁波的極化特性可實時改變。這就要求了設(shè)計出射波的極化可以動態(tài)調(diào)控的電磁輻射器件。二氧化釩是具有絕緣體—金屬態(tài)相變特性的金屬氧化物,在溫度68℃下會從單斜絕緣體態(tài)向四方金屬態(tài)轉(zhuǎn)變,其電阻率變化會有2—4個數(shù)量級的變化,其介電常數(shù)、磁導率等參數(shù),以及微波、光學甚至太赫茲波特性都會隨著相變過程發(fā)生顯著變化。將二氧化釩嵌入到超材料的結(jié)構(gòu)中，利用溫度控制改變其相移特性，可以實現(xiàn)太赫茲波的動態(tài)極化調(diào)控。

2015年TLv等人提出了一種新型的熱開關(guān)來控制基于相變的THz波傳播(TTLv，LiZ，Sun B，etal.Chiral metamaterial with VO₂inclusions for thermally manipulating cross-polarization[J].Applied Optics&Photonics China,2015,9673)創(chuàng)建了一個超薄超材料，其由摻有二氧化釩的90°扭轉(zhuǎn)E型諧振器的陣列組成，實現(xiàn)了熱控交叉極化轉(zhuǎn)換，但該結(jié)構(gòu)僅僅實現(xiàn)了交叉極化透射系數(shù)幅值的調(diào)制，這也限制了該結(jié)構(gòu)的使用范圍，并且轉(zhuǎn)化效率還有待進一步的提高。2016年，D.C.Wang等人在超表面SRR結(jié)構(gòu)中嵌入VO₂材料(D.C.Wang,L.C.Zhang,Y.D.Gong,L.K.Jian,T.Venkatesan,C.W.Qiu,M.H.Hong,Multiband SwitchableTerahertz Quarter-Wave Plates via Phase-Change Metasurfaces,IEEE PhotonicsJournal,8(1):5500308,2016.)實現(xiàn)了太赫茲多頻段的線極化到圓極化轉(zhuǎn)換的動態(tài)調(diào)節(jié)，但其轉(zhuǎn)換效率和頻率調(diào)諧范圍還有待提高。在本專利采用VO₂與手征結(jié)構(gòu)共形的新型設(shè)計，并通過溫度控制VO₂相變，在0.416THz處的具有超過99.1％的90°線極化轉(zhuǎn)換調(diào)制深度和在0.393THz和0.437THz下具有橢圓率接近于-1和1的雙頻帶線極化到圓極化轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)將入射的線極化波轉(zhuǎn)化為不同旋向的圓極化波。本專利所述結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有技術(shù)相比，使用了亞波長復合手征結(jié)構(gòu)，而且不再是單一的實現(xiàn)線極化的轉(zhuǎn)化或單一線極化到圓極化的轉(zhuǎn)化或者僅僅只實現(xiàn)調(diào)制作用，并且本發(fā)明動態(tài)調(diào)節(jié)范圍大、轉(zhuǎn)化效率高、結(jié)構(gòu)簡單易于制作。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、調(diào)控方便、易加工、損耗小的動態(tài)太赫茲反射式極化調(diào)控器件。

本發(fā)明解決所述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是，超表面太赫茲動態(tài)反射式極化調(diào)制器，包括極化結(jié)構(gòu)單元，所述極化結(jié)構(gòu)單元包括襯底介質(zhì)基片以及設(shè)置于襯底介質(zhì)基片正面的正面諧振結(jié)構(gòu)和設(shè)置于介質(zhì)基片反面的反面諧振結(jié)構(gòu)，其特征在于，正面諧振結(jié)構(gòu)與反面諧振結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)相同且互為90°共軛；

所述正面諧振結(jié)構(gòu)包括下述各邊：

設(shè)置于第一象限右方的第一金屬邊，

設(shè)置于第二象限上方的第二金屬邊，

設(shè)置于第二象限左方的第一金屬氧化物邊，

設(shè)置于第三象限左方的第四金屬邊，

設(shè)置于第四象限下方的第五金屬邊，

設(shè)置于第四象限右方的第二金屬氧化物邊；