[发明专利]一种太赫兹涡旋处理器的设计方法及其所得产品与应用

说明书

本发明公开了一种太赫兹涡旋处理器的设计方法，包括以下步骤：确定目标相位调制矩阵和得到超构表面的几何相位和共振相位矩阵；在电磁场仿真模拟设计中，确定介质柱的高度和周期，设置LCP波入射，然后对长宽进行扫描，得到不同长宽的透射相位矩阵；在透射相位矩阵中筛选结构参数以满足对应的再旋转角度θ以满足对LCP波和RCP波入射，几何相位互为正负关系，传播相位相同，形成自旋复用的相位调制；根据上述设计确定超表面结构参数，进行光刻掩膜板的制备。本发明还公开了上述设计方法所制得的太赫兹涡旋处理器及其应用。本发明能够实现自旋角动量和轨道角动量的同时产生和检测。

技术领域

本发明涉及复合材料及其制法与应用，具体为一种太赫兹涡旋处理器的设计方法及其所得产品与应用。

背景技术

太赫兹(THz)波是频率在0.1-10THz(对应波长为30μm-3000μm)之间的电磁波，位于微波和红外波段之间，是电子学和光子学的过渡频段。因其独特的性质，使得太赫兹技术在安全检查、生物医学和高速无线通信等诸多领域具有广阔的应用前景。特别地，随着近几年来无线通信端的数据传输量出现了爆炸式增长，预计到2020年会达到每个月41艾字节(EB)的量级，现今商用的微波通信技术由于通信频段较窄，已逐渐无法满足如此巨大的数据传输量需求，因此通信频段不可避免地向长波段(太赫兹波段)移动，因此，利用太赫兹波作为通信媒介的太赫兹信号处理器、调制器等受到了广泛研究。其中，基于轨道角动量(OAM)模式的模式复用通信可以在频率之外增加模式这样一个全新的自由度，可大大提升太赫兹通信的信道容量。

涡旋光束是一种具有螺旋型波前和中心相位奇点的特殊光束。光束围绕相位奇点呈现的螺旋型波前特性可以用拓扑核数m表示，m的大小对应沿着光束传播方向一个光学波长内相位旋转的圈数，这种携带有OAM的特殊光束可用于基于OAM模式复用的大容量通讯。目前产生太赫兹涡旋光束的方法有几种，例如聚合物螺旋相位板、设计有 V型天线的超表面、拼接不同光轴方向的半波片以及液晶q波片等。这些产生太赫兹涡旋的方法的弊端在于器件的大型化、加工困难、效率低等问题，并且无法实现太赫兹涡旋的阵列化产生与检测。因此，亟需设计一种高效率、易集成的多功能太赫兹涡旋处理器。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种太赫兹涡旋处理器的设计方法，本发明的另一目的是提供一种具有自旋复用调制涡旋处理效果的太赫兹涡旋处理器，本发明的再一目的是提供一种太赫兹涡旋处理器在太赫兹涡旋入射波自旋状态、拓扑核数检测中的应用。

技术方案：本发明所述的一种太赫兹涡旋处理器的设计方法，包括以下步骤：

步骤一，确定目标相位调制矩阵和得到超构表面的几何相位和共振相位矩阵；

步骤二，在电磁场仿真模拟设计中，确定介质柱的高度和周期，设置LCP波入射，然后对长宽进行扫描，得到不同长宽的透射相位矩阵；

步骤三，在透射相位矩阵中筛选结构参数以满足对应的再旋转角度θ以满足对应的LCP波和RCP波入射同一结构单元，产生的几何相位互为正负关系，产生的传播相位相同，形成自旋复用的相位调制；

步骤四，根据上述设计确定超表面结构参数，进行光刻掩膜板的制备。

进一步地，步骤一中，几何相位共振相位是沿着 x方向产生1*4的涡旋阵列，拓扑核分别为±1和±2。是沿着y方向产生1*4的涡旋阵列，拓扑核分别为±1和±2。

进一步地，步骤二中，介质柱的横截面具有各向异性。介质柱为椭圆形或长方形。

进一步地，步骤三中，在LCP波入射时的总相位为在RCP波入射时的总相位为

上述太赫兹涡旋处理器的设计方法制得的太赫兹涡旋处理器，包括基板和介质柱，基板上设置介质柱。

进一步地，介质柱在不同阵列位置，具有相同的高度、周期，不同的长度、宽度、旋转角度。