[发明专利]基于超材料的宽带太赫兹线极化波非对称传输器件

说明书

技术领域

本发明属于电磁波的传输控制器件领域，具体是基于超材料的宽带太赫兹线极化波非对称传输器件。

背景技术

太赫兹(THz)波通常是指频率在0.3～3THz(或波长在0.1～1mm)的电磁波，处于微波毫米波与红外线光学之间，是电子学与光子学之间的过渡区，也是宏观电磁理论向微观量子理论过渡的区域。太赫兹波在物理、化学和生命科学等基础研究学科以及医学成像、安全检查、产品检测、空间通信和武器制导等应用学科都具有重要的研究价值和应用前景，受到世界各国的关注。但是，由于常规材料很难在太赫兹波段发生电磁响应，特别是磁响应，太赫兹波段范围内的科学研究和技术应用上的空白点很多。

近年来，超材料(Metamaterials)的出现为太赫兹技术的发展和应用提供了可行性。超材料是指电磁参数(介电常数和磁导率)可人为设计控制的一类人工复合的周期电磁结构。2000年，美国加利福利亚大学的D.R.Smith等人将金属线周期结构和开口谐振环周期结构有效地结合起来，设计出等效介电常数和磁导率同时为负的材料，第一次从实验上证明了超材料的存在。因超材料具备自然界材料所没有的奇异电磁参数和电磁特性，近年来在科研界甚至是工业界获得了广泛关注和研究。

电磁波的非对称传输(asymmetric transmission，AT)是指传输媒质对沿不同传播方向入射的电磁波表现出不同的传输性能。其中，传输性能包括但不局限于透射、反射、吸收、极化转换等。基于超材料的非对称传输器件为电磁波偏振传输的方向调控提供了新的途径。在现代军事、通讯等领域中，很多传统或基础元器件，如天线罩、电磁波隔离器和环形器等，都依赖于某种非对称传输的性能进行工作。并且随着微波通讯、光通讯等领域的飞速发展，一些特定场合对实现非对称传输的电磁器件有着越来越大的需求。

但是，基于超材料的非对称传输器件，国内外的研究主要集中在微波波段，而有关太赫兹波段的非对称传输器件研究较少。2012年，史金辉等首次提出了两种窄带的太赫兹超材料非对称传输器件，一种是双层连续U形结构，一种是由L形和直线条构成的结构。这两种结构分别在2.9THz和2.4THz附件实现了非对称传输，对应的最高通过率分别为90％和55％。随后，2015年D.Liu等(Applied Physics A,2015,118(3):787-791)将U形谐振图形的金属薄膜去掉构成金属-介质-金属结构，实现了0.88THz和1.03THz双频带线极化波的非对称传输，非对称传输效率为50％。2017年，S.Fang等(Journal of applied physics,2017,121:033103)提出了介质-金属-介质-金属-介质构成的双波段非对称太赫兹传输器件，其中金属材料为金，介质为聚酰亚胺；金属图形为U形折线结构，其中，第二层金属图形是由第一层金属结构沿轴线旋转90°构成的。该结构实现了0.51THz和0.81THz的双波段的窄带非对称传输，非对称传输效率为分别为62％和60％；研究表明模拟和测试基本一致。

发明内容

本发明针对现有技术中对太赫兹频段线极化波的非对称传输研究较少，特别是宽频带结构，导致了太赫兹非对称传输器件较少的问题，提出了基于超材料的宽带太赫兹线极化波非对称传输器件。

所述非对称传输器件包括若干在xy平面上沿同一个方向周期排列的基本单元；

每个基本单元包括按顺序排列的五层结构，从上到下依次为：介质层1-金属层2-介质层3-金属层4-介质层5；

三层介质层由有机高分子聚合薄膜材料或氧化硅构成，厚度为微米量级。每层介质层的材料相同或者不同；其中介质层3厚度一般远大于介质层1和5的厚度，通常为同一种材料；介质层1和介质层5主要有两个作用，一是为了加工方便，二是为了保护金属层。

金属层选用金、银或铝等常见金属薄膜，其厚度通常大于150nm以上。

其中金属层2和金属层4是通过光刻或电子束曝光等技术在介质层3两侧构成的金属图形；金属层4构成的图形由金属层2的图形沿轴线旋转90°或镜像对称得到。

所述非对称传输器件工作在太赫兹波段，具体工作过程如下：

首先，设置xyz坐标系，超材料在xy平面周期排列，z轴垂直于非对称传输器的表面。

然后，一束x方向偏振的线偏振光沿z轴正向垂直入射到非对称传输器的表面后，由于超材料的作用，大部分透射光为y偏振光；这样，入射的x极化波基本被转换为y极化波；