本發(fā)明涉及一種基于新型人工電磁材料的正交偏振轉(zhuǎn)換器。

背景技術(shù)：

新型人工電磁材料(Metamaterials)又稱超材料，是一種人工復(fù)合材料或復(fù)合媒介，通過在材料的關(guān)鍵物理尺度上的結(jié)構(gòu)有序設(shè)計(jì)，可以突破某些表觀自然規(guī)律的限制，從而獲得超出自然界固有的普通性質(zhì)的超常物理特性，如負(fù)折射、異常的透射和反射、隱身斗篷等。新型人工電磁材料一般是由周期性排列的基本單元構(gòu)成，其電磁特性主要取決于基本單元的幾何結(jié)構(gòu)，且基本單元的尺寸需遠(yuǎn)小于入射電磁波的波長。

近年來，基于新型人工電磁材料來實(shí)現(xiàn)對電磁波偏振控制的研究得到了廣泛的關(guān)注，此外，利用新型人工電磁材料的手性(2D手性和3D手性)和各向異性可以實(shí)現(xiàn)正交偏振轉(zhuǎn)換功能的研究成果，促進(jìn)了偏振轉(zhuǎn)換器的集成化發(fā)展。

目前，偏振轉(zhuǎn)換器對工作頻帶的展寬仍是一個(gè)熱點(diǎn)研究問題，通常，寬頻帶的偏振轉(zhuǎn)換器是通過多層的結(jié)構(gòu)堆疊獲取的，但這種器件的體積往往比較大，不利于器件的小型化發(fā)展。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于新型人工電磁材料的正交偏振轉(zhuǎn)換器，通過對電磁材料層的基本單元的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)對正交偏振轉(zhuǎn)換器的工作頻帶的展寬。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于新型人工電磁材料的正交偏振轉(zhuǎn)換器，包括，基底層和電磁材料層，電磁材料層鍍附于基底層上；電磁材料層包括N*N個(gè)基本單元，且多個(gè)基本單元呈周期性排列；每個(gè)基本單元以副對角線為對稱軸，包括方形開口環(huán)和與副對角線方向平行的傾斜金屬線，且傾斜金屬線與方形開口環(huán)的兩個(gè)對角相接；其中，方形開口環(huán)為中心對稱結(jié)構(gòu)，且由四條互不相接的“L”型線組成，分別為第一“L”型線，第二“L”型線，第三“L”型線和第四“L”型線，第一“L”型線與第三“L”型線的尺寸一致，第二“L”型線與第四“L”型線的尺寸一致；四條“L”型線的線寬和傾斜金屬線的線寬相等；基底層的厚度為微米量級，電磁材料層的厚度為納米量級。

進(jìn)一步地，基底層的材質(zhì)為二氧化硅。

進(jìn)一步地，電磁材料層的材質(zhì)為銅，金或鋁。

進(jìn)一步地，四條“L”型線的線寬和傾斜金屬線的線寬均為w＝10μm；基底層的厚度t＝3μm，電磁材料層的厚度為t_m＝200nm；方形開口環(huán)的邊長a＝130μm，第一“L”型線與第二“L”型線的距離為s＝10μm，第二“L”型線的一邊的長度為l＝20μm；基本單元的排列周期p＝150μm。

本發(fā)明提供的基于新型人工電磁材料的正交偏振轉(zhuǎn)換器，電磁材料層的每一個(gè)基本單元都包括方形開口環(huán)和與副對角線方向平行的傾斜金屬線，基本單元的結(jié)構(gòu)符合各向異性特征，即可以實(shí)現(xiàn)電磁波的正交偏振轉(zhuǎn)換，即，輸出波形與輸入波形正交，另外，基底層的厚度為微米量級，電磁材料層的厚度為納米量級，體積小。此外，本發(fā)明的基本單元的結(jié)構(gòu)為方形開口環(huán)與金屬斜線的組合，從而可以實(shí)現(xiàn)多重諧振響應(yīng)，繼而利用多重諧振響應(yīng)的疊加作用，實(shí)現(xiàn)正交偏振轉(zhuǎn)換器的工作頻帶的展寬。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的正交偏振轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的正交偏振轉(zhuǎn)換器的基本單元的結(jié)構(gòu)立體圖；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的正交偏振轉(zhuǎn)換器的基本單元的正面示意圖；

圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的正交偏振轉(zhuǎn)換器針對x方向的入射偏振光的偏振效果圖；

圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的正交偏振轉(zhuǎn)換器針對y方向的入射偏振光的偏振效果圖；

圖6是本發(fā)明實(shí)施例提供的正交偏振轉(zhuǎn)換器的透射與反射效果定性分析圖。

具體實(shí)施方式

下面通過具體的實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明，但是，應(yīng)當(dāng)理解為，這些實(shí)施例僅僅是用于更詳細(xì)具體地說明之用，而不應(yīng)理解為用于以任何形式限制本發(fā)明。

實(shí)施例一

結(jié)合圖1，本實(shí)施例提供的基于新型人工電磁材料的正交偏振轉(zhuǎn)換器，包括，基底層1和電磁材料層2，電磁材料層2鍍附于基底層1上；電磁材料層2包括N*N個(gè)基本單元9，且多個(gè)基本單元9呈周期性排列；如圖2所示地，每個(gè)基本單元9以副對角線為對稱軸，包括方形開口環(huán)和與副對角線方向平行的傾斜金屬線，且傾斜金屬線與方形開口環(huán)的兩個(gè)對角相接；其中，方形開口環(huán)為中心對稱結(jié)構(gòu)，且由四條互不相接的“L”型線組成，分別為第一“L”型線，第二“L”型線，第三“L”型線和第四“L”型線，第一“L”型線與第三“L”型線的尺寸一致，第二“L”型線與第四“L”型線的尺寸一致；四條“L”型線的線寬和傾斜金屬線的線寬相等；基底層1的厚度為微米量級，電磁材料層2的厚度為納米量級。

本發(fā)明實(shí)施例提供的基于新型人工電磁材料的正交偏振轉(zhuǎn)換器，電磁材料層2的每一個(gè)基本單元9都包括方形開口環(huán)和與副對角線方向平行的傾斜金屬線，基本單元9的結(jié)構(gòu)符合各向異性特征，即可以實(shí)現(xiàn)電磁波的正交偏振轉(zhuǎn)換，即，輸出波形與輸入波形正交，另外，基底層1的厚度為微米量級，電磁材料層2的厚度為納米量級，體積小。此外，本發(fā)明實(shí)施例的基本單元9的結(jié)構(gòu)為方形開口環(huán)與金屬斜線的組合，從而可以實(shí)現(xiàn)多重諧振響應(yīng)，繼而利用多重諧振響應(yīng)的疊加作用，實(shí)現(xiàn)正交偏振轉(zhuǎn)換器的工作頻帶的展寬。

優(yōu)選地，基底層1的材質(zhì)為二氧化硅。本實(shí)施例采用二氧化硅作為基底層1，其厚度更易精準(zhǔn)控制且其折射率受制備過程影響不大，可靠性高。

優(yōu)選地，電磁材料層2的材質(zhì)為銅，金或鋁。

進(jìn)一步優(yōu)選地，如圖3所示地，四條“L”型線的線寬和傾斜金屬線的線寬均為w＝10μm；基底層1的厚度t＝3μm，電磁材料層2的厚度為t_m＝200nm；方形開口環(huán)的邊長a＝130μm，第一“L”型線與第二“L”型線的距離為s＝10μm，第二“L”型線的一邊的長度為l＝20μm；基本單元9的排列周期p＝150μm，也就是說，每兩個(gè)基本單元9的間隔為g＝20μm。

本實(shí)施例中，可以通過調(diào)節(jié)基本單元9的尺寸來實(shí)現(xiàn)對不同電磁波的控制。且當(dāng)四條“L”型線的線寬和傾斜金屬線的線寬均為w＝10μm；基底層1的厚度t＝3μm，電磁材料層2的厚度為t_m＝200nm；方形開口環(huán)的邊長a＝130μm，第一“L”型線與第二“L”型線的距離為s＝10μm，第二“L”型線的一邊的長度為l＝20μm；每兩個(gè)基本單元9的間隔為g＝20μm時(shí)，能夠?qū)μ掌澆▽?shí)現(xiàn)正交偏振控制。

實(shí)施例二

本實(shí)施例中，當(dāng)基本單元9的尺寸為適合太赫茲頻段的正交偏振轉(zhuǎn)換器時(shí)，以實(shí)現(xiàn)對太赫茲波的正交偏振為例，闡述正交偏振轉(zhuǎn)換器的工作原理。

如圖4所示地，給本實(shí)施例正交偏振轉(zhuǎn)換器設(shè)置一個(gè)xyz坐標(biāo)軸作為工作平臺(tái)，其中，z軸垂直于正交偏振轉(zhuǎn)換器的表面。

如圖4所示，當(dāng)x方向偏振的線偏振光3沿-z方向垂直入射到正交偏振轉(zhuǎn)換器的表面時(shí)，正交偏振后透射輸出光為4，且反射輸出光為5，其中，入射線偏振光3為x方向偏振的線偏振光，而偏振輸出光中，透射輸出光4和反射輸出光5均為y方向偏振輸出光，即發(fā)生了正交偏振轉(zhuǎn)換。此外，透射輸出光4和反射輸出光5的頻帶寬度明顯比入射線偏振光3的寬，即實(shí)現(xiàn)了正交偏振轉(zhuǎn)換器的工作頻帶的展寬。

如圖5所示地，當(dāng)y方向偏振的線偏振光6垂直入射到正交偏振轉(zhuǎn)換器的表面時(shí)，輸出的正交偏振透射光為7，反射光為8，其中，入射線偏振光6為y方向偏振的線偏振光，而偏振輸出光中，透射輸出光7和反射輸出光8均為x方向偏振輸出光，即發(fā)生了正交偏振轉(zhuǎn)換。此外，透射輸出光7和反射輸出光8的頻帶寬度明顯比入射線偏振光6的寬，即實(shí)現(xiàn)了正交偏振轉(zhuǎn)換器的工作頻帶的展寬。

此外，為了進(jìn)一步定性分析本實(shí)施例的正交偏振轉(zhuǎn)換器對工作頻帶的展寬效果，假定本實(shí)施例的正交偏振轉(zhuǎn)換器的太赫茲能量透射率和反射率分別為T_ij和R_ij，其中，下標(biāo)i、j分別代表透射/反射光和入射光的偏振態(tài)，即，當(dāng)x方向偏振的線偏振光經(jīng)過正交偏正器后的透射光對應(yīng)的透射率為T_xy以及反射光對應(yīng)的反射率為R_xy，當(dāng)y方向偏振的線偏振光經(jīng)過正交偏正器后的透射光對應(yīng)的透射率為T_yx以及反射光對應(yīng)的反射率為R_yx。

本實(shí)施例中，正交偏振轉(zhuǎn)換器分別在x方向偏振光和y方向偏振光的作用下的正交偏振能量輸出曲線如圖6所示。從圖6可以看出，透射率曲線和反射率曲線之間具有相同的變化趨勢，且他們的取值幾乎相近，也就是說，本實(shí)施例的正交偏振轉(zhuǎn)換器的功能穩(wěn)定。此外，從圖6中可以看出，在0.38THz至2.05THz之間無論是透射率曲線還是反射率曲線，都相對較平穩(wěn)，也就是說，本實(shí)施例的正交偏振轉(zhuǎn)換器的工作頻帶較寬，即本實(shí)施例可以實(shí)現(xiàn)正交偏振轉(zhuǎn)換器的工作頻帶的展寬。

盡管本發(fā)明已進(jìn)行了一定程度的描述，明顯地，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的條件下，可進(jìn)行各個(gè)條件的適當(dāng)變化?？梢岳斫?，本發(fā)明不限于所述實(shí)施方案，而歸于權(quán)利要求的范圍，其包括所述每個(gè)因素的等同替換。