[發明專利]基于單層各向異性超材料的寬頻帶四分之一波片

有效

• 申請號: 202011087591.2
• 申請日: 2020-10-13
• 公開（公告）號: CN112305659B
• 公開（公告）日: 2022-06-17
• 發明（設計）人: 呂婷婷;劉東明;劉超;劉強;董秋璇;宋美萍
• 申請（專利權）人: 東北石油大學
• 主分類號: G02B5/30
• 分類號: G02B5/30
• 代理公司: 大慶禹奧專利事務所 23208
• 代理人: 朱士文;楊曉梅

本發明提出的一種基于單層各向異性超材料的寬頻帶四分之一波片，涉及一種對太赫茲波的傳輸控制器件，其是由介質層和人工電磁材料結構層構成，所述的人工電磁材料結構層光刻蝕于介質層上表面，由周期性排列的連續臺階型曲折線結構層基本單元構成。本發明提出的基于單層各向異性超材料的寬頻帶四分之一波片，可以在更寬的頻帶內實現線偏振光到圓偏振光的偏振轉換功能,對太赫茲波段的寬頻帶偏振轉換器件和緊湊型納米光子器件的發展具有重要的意義。

技術領域：

本發明涉及的是一種對太赫茲波的傳輸控制器件，尤其是控制電磁波線偏振態和圓偏振態的傳輸，通過線柵結構的精巧組合設計實現寬頻帶線偏振光到圓偏振光的轉換，可類比于四分之一波片。

背景技術：

太赫茲（THz）波通常是指頻率在0.1-10 THz范圍內的電磁波，其波段位于毫米波和紅外波之間，在電磁波譜中占據著重要位置。太赫茲波具有許多優越的特性，在物理和生命科學等基礎學科以及安全探測、醫學成像和通信技術等應用學科方向都具有重要的研究價值和應用前景。

超材料（Metamaterial）是一種具有天然材料所不具備的超常物理特性的人工復合媒質和復合材料，其電磁特性主要取決于基本單元的幾何結構，基本單元的尺寸遠小于入射電磁波的波長。Metamaterial能夠對太赫茲波的振幅、相位、偏振態和傳播方向實現有效的控制，尤其是偏振態間的轉換研究吸引了越來越多的關注。圓偏振光廣泛應用于許多技術和光學器件中，并且在生物分子的探測和分析過程中扮演著非常重要的角色，因此，發展高質量的四分之一波片（能夠實現線偏振光到圓偏振光轉換）是非常重要的。

目前，反射型和透射型的太赫茲四分之一波片被廣泛研究，在太赫茲納米光子學的發展中，透射型波片器件是必不可少的。線柵型諧振器一直作為超材料偏振轉換器件設計中的首選結構，因為這種結構能夠反射平行于線柵的偏振光，而能夠透射垂直于線柵的偏振光。多層線柵結構被廣泛研究來實現寬頻帶或可開關的超材料四分之一波片。相比于多層超材料結構設計，單層四分之一波片的研究一直是集成和小型化光學系統發展中的核心內容。基于巴比涅結構的非對稱十字形、平面開口環結構、3D開口環結構和全介質各向異性硅塊的單層四分之一波片結構有很多報道。除此之外，利用電壓、溫度和機械調制的可調諧四分之一波片也被廣泛研究。然而許多單層的太赫茲四分之一波片往往遭受著窄帶寬的嚴重限制。針對于拓展波片帶寬的關鍵問題，本專利利用線柵結構的精巧設計組合將提出一種基于單層“臺階型”超材料的寬頻帶四分之一波片，該四分之一波片能夠實現寬頻帶的線偏振光到圓偏振光的轉換效應。

發明內容：

本發明的目的在于提供一種基于單層“臺階型”超材料的寬頻帶四分之一波片。將平行于x軸和垂直于x軸方向的線柵結構創新性地融入到單層超材料的設計中，導致相互垂直的偏振態在寬頻帶范圍內具有相似的幅度特性和接近于90°的相位差，實現線偏振光到圓偏振光的轉換效應，有效地控制了太赫茲波的傳輸。

本發明的基于單層各向異性超材料的寬頻帶四分之一波片，是由介質層和人工電磁材料結構層構成，所述的人工電磁材料結構層光刻蝕于介質層上表面，人工電磁材料結構層是由周期性排列的連續臺階型曲折線結構層基本單元構成。

作為本發明的進一步改進，所述的介質層1的材質為聚酰亞胺或二氧化硅，介質層的厚度為t、其厚度為微米量級。

作為本發明的進一步改進，所述的結構層基本單元的材質為銅、金或鋁，結構層基本單元的厚度為t_m、其厚度為納米量級。