[发明专利]可切换超材料的多功能太赫兹偏振转换器及方法

说明书

本发明公开了一种可切换超材料的多功能太赫兹偏振转换器及其方法。本发明所提出的多功能器件从上到下依次为顶层金属开口谐振环、上介质层、连续二氧化钒膜、下介质层和金属衬底。本发明所设计的结构通过二氧化钒的绝缘与金属相变特性，仅使用一个连续二氧化钒薄膜就可以实现完全不同的功能。该器件对入射太赫兹波的极化状态不敏感，在大入射角下也表现出良好的性能。设计的反射多功能太赫兹器件在前沿研究和智能应用领域具有较大潜力。

技术领域

本发明涉及可调太赫兹偏振转换器，尤其涉及可切换超材料的多功能太赫兹偏振转换器及方法。

背景技术

太赫兹波介于光波与无线电波之间，凭借其独特特性逐渐成为世界各国的研究热点，太赫兹波以其安全性、穿透性、指纹识别性、宽带性和高分辨率等优良特性而在生物识别、安全检测、无线通讯、太赫兹成像等领域具有重大的应用前景，并有可能成为未来无线网络的工作频率，如第六代(6G)系统。太赫兹技术的多种应用要求开发高效的太赫兹源、探测器和高性能功能器件，如吸收器、滤波器、传感器、调制器、分束器和偏振转换器等，但包括偏振转换器在内的功能器件的缺乏仍然是这些应用的主要障碍。

近年来研究人员对超材料进行了大量的研究。超材料是一种人工设计的亚波长尺寸的结构，具有自然界材料所不具备的新颖物理特性。基于超材料结构的宽频带、高效率的偏振转换、滤波器、吸收器等新型功能器件不断涌现，偏振转换器的潜在应用价值也得到了不断地拓展。到目前为止，大多数设计的超材料器件在工作频率下实现单一的功能，这限制了超材料器件在实际系统中的应用。为了实现不同的功能，可以将超材料和功能材料(例如相变材料)结合使用。基于不同材料(包括石墨烯、二氧化钒和狄拉克半金属等)的可调谐超材料结构已被广泛研究。其中，二氧化钒具有电、磁、热或者光学刺激引起的可逆的绝缘体到金属的过渡特性。在相变过程中，二氧化钒的电导率可以改变4-5个数量级的幅度，这使得二氧化钒成为构建可调太赫兹超材料器件的有效选择。因此，本发明通过结合超材料结构特性和二氧化钒相变特性，可以将两个或者多个不同的功能集成到单个超材料器件中，在卫星导航、通信领域中展现出巨大的应用潜力。

发明内容

本发明为了克服现有技术不足，提供一种高效多功能的太赫兹偏振转换器。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种可切换超材料的多功能太赫兹偏振转换器，该转换器件由单元结构在平面上按阵列形式连续拼接而成；每个所述单元结构由不同的功能层叠加组成，从上到下依次为周期性金属开口谐振环、上介质层、二氧化钒薄膜、下介质层和底部金属衬底；所述上介质层、二氧化钒薄膜、下介质层和底部金属衬底的横截面均为正方形，所述周期性金属开口谐振环布置于上介质层上表面的中心，为具有两个开口的金属圆环且两个开口分别位于圆环的一条直径两端。

上述技术方案可采用如下优选方式：

作为优选，所述的周期性金属开口谐振环材料为铜，圆环外半径为25～35μm，内半径为20～30μm，厚度为0.15～0.25μm，每个所述开口在圆环上所占的圆心角为15°～35°。

作为优选，所述的周期性金属开口谐振环中，两个所述开口所在的直径与上介质层上表面的一条对角线重合。

作为优选，所述的上介质层材料为聚酰亚胺(PI)，长度和宽度均为70～90μm，厚度为14～18μm。

作为优选，所述的二氧化钒薄膜长度和宽度均为70～90μm，厚度为0.8～1.2μm。

作为优选，所述的单元结构的下介质层材料为聚酰亚胺(PI)，长度和宽度均为70～90μm，厚度为8～12μm。

作为优选，所述的单元结构的底部金属衬底材料为铜，长度和宽度均为70～90μm，厚度为0.15～0.25μm。

作为优选，所述单元结构按阵列形式连续拼接成正方形、长方形或六边形。