[发明专利]基于单层各向异性超材料的宽频带四分之一波片

说明书

本发明提出的一种基于单层各向异性超材料的宽频带四分之一波片，涉及一种对太赫兹波的传输控制器件，其是由介质层和人工电磁材料结构层构成，所述的人工电磁材料结构层光刻蚀于介质层上表面，由周期性排列的连续台阶型曲折线结构层基本单元构成。本发明提出的基于单层各向异性超材料的宽频带四分之一波片，可以在更宽的频带内实现线偏振光到圆偏振光的偏振转换功能,对太赫兹波段的宽频带偏振转换器件和紧凑型纳米光子器件的发展具有重要的意义。

技术领域：

本发明涉及的是一种对太赫兹波的传输控制器件，尤其是控制电磁波线偏振态和圆偏振态的传输，通过线栅结构的精巧组合设计实现宽频带线偏振光到圆偏振光的转换，可类比于四分之一波片。

背景技术：

太赫兹（THz）波通常是指频率在0.1-10 THz范围内的电磁波，其波段位于毫米波和红外波之间，在电磁波谱中占据着重要位置。太赫兹波具有许多优越的特性，在物理和生命科学等基础学科以及安全探测、医学成像和通信技术等应用学科方向都具有重要的研究价值和应用前景。

超材料（Metamaterial）是一种具有天然材料所不具备的超常物理特性的人工复合媒质和复合材料，其电磁特性主要取决于基本单元的几何结构，基本单元的尺寸远小于入射电磁波的波长。Metamaterial能够对太赫兹波的振幅、相位、偏振态和传播方向实现有效的控制，尤其是偏振态间的转换研究吸引了越来越多的关注。圆偏振光广泛应用于许多技术和光学器件中，并且在生物分子的探测和分析过程中扮演着非常重要的角色，因此，发展高质量的四分之一波片（能够实现线偏振光到圆偏振光转换）是非常重要的。

目前，反射型和透射型的太赫兹四分之一波片被广泛研究，在太赫兹纳米光子学的发展中，透射型波片器件是必不可少的。线栅型谐振器一直作为超材料偏振转换器件设计中的首选结构，因为这种结构能够反射平行于线栅的偏振光，而能够透射垂直于线栅的偏振光。多层线栅结构被广泛研究来实现宽频带或可开关的超材料四分之一波片。相比于多层超材料结构设计，单层四分之一波片的研究一直是集成和小型化光学系统发展中的核心内容。基于巴比涅结构的非对称十字形、平面开口环结构、3D开口环结构和全介质各向异性硅块的单层四分之一波片结构有很多报道。除此之外，利用电压、温度和机械调制的可调谐四分之一波片也被广泛研究。然而许多单层的太赫兹四分之一波片往往遭受着窄带宽的严重限制。针对于拓展波片带宽的关键问题，本专利利用线栅结构的精巧设计组合将提出一种基于单层“台阶型”超材料的宽频带四分之一波片，该四分之一波片能够实现宽频带的线偏振光到圆偏振光的转换效应。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种基于单层“台阶型”超材料的宽频带四分之一波片。将平行于x轴和垂直于x轴方向的线栅结构创新性地融入到单层超材料的设计中，导致相互垂直的偏振态在宽频带范围内具有相似的幅度特性和接近于90°的相位差，实现线偏振光到圆偏振光的转换效应，有效地控制了太赫兹波的传输。

本发明的基于单层各向异性超材料的宽频带四分之一波片，是由介质层和人工电磁材料结构层构成，所述的人工电磁材料结构层光刻蚀于介质层上表面，人工电磁材料结构层是由周期性排列的连续台阶型曲折线结构层基本单元构成。

作为本发明的进一步改进，所述的介质层1的材质为聚酰亚胺或二氧化硅，介质层的厚度为t、其厚度为微米量级。

作为本发明的进一步改进，所述的结构层基本单元的材质为铜、金或铝，结构层基本单元的厚度为t_m、其厚度为纳米量级。