[发明专利]基于石墨烯-金属混合超表面的多功能THz极化转换器

说明书

本发明公开一种基于石墨烯‑金属混合超表面的多功能THz极化转换器。自上而下由石墨烯‑金属混合超表面层、二氧化硅衬底层、硅介质基底层和金属地板层组成。石墨烯‑金属混合超表面层由多个石墨烯和金属超表面单元组成，这些石墨烯和金属超表面单元在二氧化硅衬底层的表面呈周期性排列。每个石墨烯和金属超表面单元由金属片和石墨烯片组成。金属片为蝶形，且金属片同时关于表面横向x轴对称和表面纵向y轴对称。本发明能够通过改变加载在石墨烯‑金属混合超表面层和硅介质基底层之间的偏置电压来达到调节石墨烯的费米能级的目的，从而实现本多功能极化转换器本体的线极化偏转和圆极化转换功能的切换。

技术领域

本发明涉及太赫兹器件及石墨烯技术领域，具体涉及一种基于石墨烯-金属混合超表面的多功能THz极化转换器。

背景技术

THz(太赫兹)波的极化特性在实际应用中起到十分重要的作用，这种特性被用于THz成像、THz传感等领域。基于超表面的新型极化转换器件具有重量轻、结构简单、损耗低等优点而被广泛应用。然而该类器件中的超表面是由金属材料构建，由此设计的极化转换器功能单一，不具备可调谐特性。要实现器件的多功能特性，则必须修改超表面的几何结构和参数，并进行重新设计，这极大限制了器件的应用。

发明内容

本发明所要解决的是现有极化转换器不具备可调谐特性的问题，提供一种基于石墨烯-金属混合超表面的多功能THz极化转换器，其具有线极化转换和圆极化转换双重功能，并通过控制石墨烯的偏置电压实现双功能的切换。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

基于石墨烯-金属混合超表面的多功能THz极化转换器，包括多功能极化转换器本体，该多功能极化转换器本体自上而下由石墨烯-金属混合超表面层、二氧化硅衬底层、硅介质基底层和金属地板层组成；石墨烯-金属混合超表面层由多个石墨烯和金属超表面单元组成，这些石墨烯和金属超表面单元在二氧化硅衬底层的表面呈周期性排列；每个石墨烯和金属超表面单元由金属片和石墨烯片组成；金属片为蝶形，且金属片同时关于表面横向x轴对称和表面纵向y轴对称；石墨烯片为点状，且位于金属片的对称中心处；石墨烯- 金属混合超表面层的所有石墨烯和金属超表面单元与偏置电压的一端相连，该偏置电压的另一端与硅介质基底层相连；通过改变该偏置电压来调节石墨烯片的费米能级EF，从而实现本多功能极化转换器本体的线极化偏转和圆极化转换功能的切换。

上述方案中，石墨烯和金属超表面单元在二氧化硅衬底层的表面呈规则矩阵式周期性排列。

上述方案中，金属片为2个等腰梯形的金属片所组成的方蝶形，石墨烯片为方点状。

上述方案中，2个梯形金属片的短底边的长度与石墨烯片的宽度相同。

上述方案中，石墨烯片由多层具有相同电性能的单分子石墨烯层堆叠而成。

与现有技术相比，本发明能够通过改变加载在石墨烯-金属混合超表面层和硅介质基底层之间的偏置电压来达到调节石墨烯的费米能级的目的，从而实现本多功能极化转换器本体的线极化偏转和圆极化转换功能的切换。当石墨烯的费米能级EF＝0.9ev时，器件实现线极化偏转功能，在1.57-4.2THz范围内交叉极化反射系数大于0.9；当石墨烯的费米能级EF＝0.09ev时，器件实现圆极化转换功能，在1.43-4.0THz范围内轴比小于3dB；此外，器件在两种极化转换功能下均能够工作于宽带。

附图说明

图1为基于石墨烯-金属混合超表面的多功能THz极化转换器的俯视示意图。

图2为图1中石墨烯和金属超表面单元的放大结构示意图。

图3为基于石墨烯-金属混合超表面的多功能THz极化转换器(带偏置加压加载)的侧视示意图。