[發(fā)明專(zhuān)利]一種用于極化轉(zhuǎn)換和波前調(diào)控的THz寬帶可切換超表面

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110336534.1
• 申請(qǐng)日: 2021-03-29
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113131218B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-11-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張彬;李韻;鐘哲強(qiáng);張恒;李桐桐
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 四川大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H01Q15/00
• 分類(lèi)號(hào): H01Q15/00
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• 代理人: 暫無(wú)信息

一種用于極化轉(zhuǎn)換和波前調(diào)控的THz寬帶可切換超表面。該超表面由六層組成，從底層到頂層依次為：第一層為金屬層，第二層為介質(zhì)層，第三層為金屬諧振結(jié)構(gòu)，第四層為二氧化釩薄膜，第五層為與第二層相同的介質(zhì)層，第六層為二氧化釩諧振結(jié)構(gòu)。當(dāng)二氧化釩為金屬態(tài)時(shí)，二氧化釩薄膜層?介質(zhì)層?二氧化釩諧振結(jié)構(gòu)可形成類(lèi)法布里?珀羅腔，實(shí)現(xiàn)THz波極化轉(zhuǎn)換。當(dāng)二氧化釩為絕緣態(tài)時(shí)，金屬層?介質(zhì)層?金屬諧振結(jié)構(gòu)可激發(fā)電諧振和磁諧振，從而通過(guò)改變金屬諧振結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)可得到多個(gè)不同相位的單元結(jié)構(gòu)，再通過(guò)對(duì)相位分布進(jìn)行排列，實(shí)現(xiàn)在寬帶范圍內(nèi)的波前調(diào)控。兩種功能的切換可通過(guò)光、電壓或溫度調(diào)控二氧化釩的電導(dǎo)率實(shí)現(xiàn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于太赫茲超表面設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于極化轉(zhuǎn)換和波前調(diào)控的THz寬帶可切換超表面。

背景技術(shù)

太赫茲(THz)波對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍為0.03～3mm，具有強(qiáng)穿透性、瞬態(tài)性、安全性和指紋譜性等特點(diǎn)，因而在介質(zhì)檢測(cè)、醫(yī)學(xué)組織成像以及生化檢測(cè)與識(shí)別等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。但也正是由于THz波的特殊性，傳統(tǒng)的電子和光子設(shè)備在THz波段內(nèi)無(wú)法產(chǎn)生電磁響應(yīng)，導(dǎo)致各種THz功能器件的研究嚴(yán)重滯后。值得慶幸的是，由亞波長(zhǎng)單元結(jié)構(gòu)按照周期或非周期排列組成的二維人工超表面可構(gòu)筑任意的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率的介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)自然界中不存在的電磁特性，從而為T(mén)Hz器件的發(fā)展和應(yīng)用提供了可行性。大量基于超表面的THz器件被廣泛研究和提出，如貝塞爾波束發(fā)生器、THz吸波器、THz聚焦透鏡和THz分束器等。

近年來(lái)，隨著集成系統(tǒng)和智能控制技術(shù)的發(fā)展，具有可切換多功能的THz器件成為了新的研究熱點(diǎn)。在微波波段，為實(shí)現(xiàn)可切換多功能，研究者們通常將針管二極管和電容二極管加入到超表面的設(shè)計(jì)中。然而，由于加工上的限制，該方法無(wú)法在THz波段或光波段實(shí)現(xiàn)。一種可替代的方法是，將可調(diào)材料(如Ge₂Sb₂Te₅(GST)、液晶、二氧化釩(VO₂)和石墨烯等)結(jié)合到超表面中，通過(guò)外部激勵(lì)的方式實(shí)現(xiàn)可切換多功能超表面。在這些可調(diào)材料中，VO₂具有相變響應(yīng)速度快、電導(dǎo)率變化范圍廣、制備簡(jiǎn)單和控制方法多樣等突出優(yōu)點(diǎn)，在可切換多功能超表面的設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛。目前，人們提出了許多基于VO₂的THz可切換超表面，但這些超表面仍然存在帶寬窄和靈活性差等缺點(diǎn)。因此，有必要對(duì)THz寬帶可切換超表面進(jìn)一步的探索。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種用于極化轉(zhuǎn)換和波前調(diào)控的THz寬帶可切換超表面，可在寬帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)極化轉(zhuǎn)換功能和波前調(diào)控功能之間的相互切換。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，設(shè)計(jì)了一種用于極化轉(zhuǎn)換和波前調(diào)控的THz寬帶可切換超表面。該超表面的單元結(jié)構(gòu)由六層組成，從底層到頂層依次為：第一層為金屬層，第二層為介質(zhì)層，第三層為金屬諧振結(jié)構(gòu)，第四層是VO₂薄膜層，第五層為與第二層相同的介質(zhì)層，第六層為VO₂諧振結(jié)構(gòu)；該VO₂諧振結(jié)構(gòu)為長(zhǎng)方形，且其與單位結(jié)構(gòu)邊沿呈45°角。

其中，所述VO₂諧振結(jié)構(gòu)單元可以但不限于是長(zhǎng)方形。

其中，所述介質(zhì)層的材料可以是介電常數(shù)小于2.5的介質(zhì)，如氟化鎂(MgF₂)，但不限于是MgF₂。

其中，所述VO₂諧振結(jié)構(gòu)的外部激勵(lì)可為光、溫度或電壓。

進(jìn)一步地，VO₂的介電常數(shù)在THz波段可由Drude模型描述為：

式中，ε_{∞＝12和γ＝5.75×10}¹³rad/s分別為高頻介電常數(shù)和振蕩頻率。等離子頻率ω_p與電導(dǎo)率σ的關(guān)系為：