[发明专利]基于平行线偶极子结构手征超表面太赫兹极化器

说明书

基于平行线偶极子结构手征超表面太赫兹极化器，属于电磁波全矢量传输调控器件技术领域，本发明包括衬底介质基片、设置于衬底介质基片上表面的金属手征结构表面层、设置于衬底介质基片下表面的金属反射板表面层,其特征在于，金属手征结构表面层包括N×N个正交设置的正方形单元排列而成的阵列，每个正方形单元中，沿正方形的一条对角线对称设置有两条矩形的金属线，金属线的长边与阵列的行线夹角α为45度。本发明极化转换效率高、插入损耗小、圆极化相差小、带外抑制明显、结构简单、尺寸小、调控方便、易于加工。

技术领域

本发明属于电磁波全矢量传输调控器件技术领域，涉及基于人工微结构的超宽带反射式太赫兹线极化/左、右旋圆极化器。

背景技术

太赫兹频段(Terahertz,THz，频率0.1-10THz，1THz＝1012Hz)的频谱资源极其丰富，为10Gbps乃至100Gbps以上的无线传输提供了可能，太赫兹波束适中、无需精确对准，在合成孔径成像(SAR)方面具有高分辨率、高帧速率和高穿透能力，因此太赫兹雷达技术和无线通信技术具有十分重要的应用前景。

传统的电磁材料及其制备的传输功能器件难以满足太赫兹应用器件要求，而人工电磁材料(Metamaterials-MMTs)可以突破自然界已有材料的介电常数和磁导率变化自由度的限制，在调控电磁波方面展现出巨大的应用潜力。

电磁超材料(Metamaterials-MMTs)是一种由具有特定几何形状的亚波长基本单元周期性或非周期性阵列所构成的人工电磁材料。通过合理地设计单元结构和尺寸可以改变材料的电磁特性，从而实现对电磁波的有效调控。

手征超表面(Chiral Metasurface)是一种具有超薄亚波长厚度的二维平面超材料，利用超表面等离子激元与太赫兹波的电磁耦合和隧道效应引起的不对称传输特性,能够实现超强的旋光性、圆二色性和非对称透射，是一种手征介质的全新原理。与传统手征材料相比，手征超表面具有高旋光性、非对称透射、Casimir 斥力、不需外加磁场和高度集成化的优势。手征超表面对不同电磁波模式呈现出负折射/负反射、双折射、极化旋转和非对称透射等现象，能够对电磁波的相位、振幅、极化方式、传播模式进行高效调控，对实现具有综合调制功能的高集成度太赫兹调制器件具有重要的应用价值。

在超表面材料中引入结构不对称性、结构参数差异等将获得明显的交叉耦合效应和非对称传输特性，该特性对于研制吸波器、调制器、极化器等具有重要意义。手征超表面在雷达、成像、通信等领域中具有广阔的应用前景，是太赫兹的热点研究领域之一。

该反射式超表面可以对线极化输入模式实现超宽带(相对带宽>99％)、高效率(带内90度极化效率>75％，最高转换效率>98％)的反射波90度极化旋转，同时对左旋和右旋圆极化波具有很高的转换效率和圆单色性，圆极化相位误差<3 度。其工作原理是基于表面等离子体波电磁交叉耦合机理和上下层金属结构间的法布里-珀罗腔(Fabry Perotinterferometer-FP)干涉效应。这种新型的反射式超材料极化器具有以下独特的优势，包括超宽的工作带宽、高极化转换效率、全频带内的相位均在负90度到正90度间交替变化，具有高圆单色性的LCP/RCP圆极化转换。同时该极化转换器仅为三层结构，即手征金属结构层、介质层和金属反射板层，在满足F-P谐振条件下的介质基底厚度的电长度可调，有效降低了太赫兹频段到红外频段的超材料极化器件的加工难度和成本。通常此类反射式超表面极化器的带宽小于95％，最高极化转换效率小于90％，圆极化相位误差>5度。此外此类反射式超表面极化器的介质基底厚度在1/10波长左右，本发明提出的极化器基底厚度可以达到1/6波长左右，水平和垂直方向的周期电长度约为1/2波长，可以采用常规的光刻工艺制造，有效提高了在太赫兹到红外频段调控器件中的应用性。