CN102692733B - 基于人工电磁材料的多峰交叉偏振滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于人工电磁材料的多峰交叉偏振滤波器。包括依次排布的起偏器、人工电磁结构和检偏器，所述人工电磁结构包括介质层和两层人工电磁材料层；所述两层人工电磁材料层分别位于介质层两侧的表面，每层人工电磁材料层由周期性排列的人工电磁材料基本单元构成，两层人工电磁材料层的单元结构相同，但相互之间旋转90度；所述人工电磁材料层的单元结构包括两段弧长不同的金属谐振器，对应的圆心角分别为140度和160度或者其他非对称角度的组合。本发明的多峰交叉滤波器可以实现多个频段的交叉偏振转换，显示出良好的交叉偏振滤波功能，且该滤波器件具备良好的可调谐性，可实现太赫兹及光波段的多峰交叉偏振滤波器。

Description

基于人工电磁材料的多峰交叉偏振滤波器

技术领域

本发明涉及的是一种偏振滤波器。

背景技术

19世纪60年代，Henry提出了一种非常有效的偏振谱滤波器（C.H.Henry，Phys.Rev.143,627,1966)，主要依靠双折射晶体中两个相互正交的偏振模之间的能量交换来实现其偏振谱滤波，滤波点附近寻常光与非寻常光的折射率近似相等，即双折射消失，可实现交叉偏振滤波的功能。如果双折射晶体被放置在两个相互正交的线偏振器之间时，没有光可以透过。然而，在靠近双折射晶体的等折射率点时，一个微小的扰动将严重影响本征态，通过晶体的光会改变自身的偏振态。因此，在等折射率点处，处在正交的线偏振器之间的晶体可以传输光，实现交叉偏振的单峰滤波。交叉偏振滤波器的传输波长受制于晶体自身的性质，例如：晶体材料CdS和CuAlSe₂的等折射率波长分别为523nm和531nm。但到目前为止，可利用的具有等折率特性的晶体不多，因此可实现偏振谱滤波的波长稀少，并且等折射率晶体多为化合物、价格昂贵，严重阻碍了晶体的应用及偏振谱滤波技术的发展。

新型人工电磁材料（Metamaterials）的出现改变了长期以来人们对介电常数和磁导率的传统认识，其在国际和国内的电磁科学研究领域引起了广泛的关注。完美透镜，电磁斗篷等都迅速成为研究热点，新型人工电磁材料为电磁研究领域注入了新的生机和活力，对未来科学与技术的发展将产生重要的影响。

新型人工电磁材料可以取代传统的交叉偏振滤波器的核心单元-等折射率的晶体，实现从微波段到可见光波段任意给定波长处的窄带交叉偏振滤波器。2011年Zheludev提出了一种基于人工电磁材料的偏振谱滤波器（美国专利“Spectral filter”，公开号：US 2011/0261441A1），利用单层新型人工电磁材料可实现交叉偏振滤波器：当电磁波垂直入射时，无正交本征矢之间的耦合，因此无交叉偏振转换输出；当电磁波倾斜入射时，2个正交矢量之间发生相互耦合，致使交叉偏振转换输出。但此专利基于入射光角度来调制交叉偏振输出，仅能实现单峰滤波，局限了其应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工作光谱范围宽、调控方便、制造成本低的基于人工电磁材料的多峰交叉偏振滤波器。

本发明的目的是这样实现的：

包括依次排布的起偏器、人工电磁结构和检偏器，所述人工电磁结构包括介质层和两层人工电磁材料层；所述两层人工电磁材料层分别位于介质层两侧的表面，每层人工电磁材料层由周期性排列的人工电磁材料基本单元构成，两层人工电磁材料层的单元结构相同，但相互之间旋转90度；所述人工电磁材料层的单元结构包括两段弧长不同的金属谐振器，对应的圆心角分别为140度和160度或者其他非对称角度的组合。

Fano谐振具有非对称谱线形状，其非对称性的产生可归因于彼此靠近的谐振透射和谐振反射的共存，可简单地理解为离散态（局域态）与连续态相互作用的结果。非对称结构新型人工电磁材料的Fano效应表现出强的偏振依赖性，在Fano谐振频率附近只能透过特定偏振态的电磁波。若设计双层结构，两层结构单元之间相互旋转90°，将会发生层间耦合，必然出现2个正交本征矢之间的耦合，导致交叉偏振转换，因此可以设计新型偏转器件，即交叉偏振滤波器。

与现有技术相比，本发明的优点为：

1更宽的工作光谱范围。以往的交叉偏振滤波器由于晶体材料的限制，只能在对某些特定的光谱范围有效，而该型滤波器可在更宽的频率范围内有效工作，尤其适合多峰交叉偏振滤波。

2更方便的性能调控。以往的交叉偏振滤波器需要借助入射角度对滤波特性进行调控，本发明无需调控角度即可实现多峰交叉偏振输出，材料性能及人工电磁材料结构参数可对滤波特性进行灵活的调控。

3更低的制造成本。相比于使用昂贵晶体材料的交叉偏振滤波器，本发明由于采用人工电磁材料，制造成本要相对低的多，PCB技术以及硅半导体加工技术，都可以用来加工人工电磁材料。

附图说明

附图1(a)是人工电磁材料结构单元的立体结构示意图。

附图1(b)是人工电磁材料结构单元的正面基本参数图。

附图2是交叉偏振滤波器系统示意图。

附图3是交叉偏振滤波器的仿真结果。

附图4是交叉偏振滤波器的实验结果。

附图5是无基底损耗情况下交叉偏振滤波器的仿真结果。

具体实施方式

本发明的基于人工电磁材料的多峰交叉偏振滤波器包括起偏器、新型人工电磁结构和检偏器。所述的新型人工电磁结构包括介质层和双人工电磁材料层，介质层采用PCB材料，其厚度为毫米量级；双人工电磁材料层位于介质层两侧的表面，每层人工电磁材料由周期性排列的人工电磁材料基本单元构成，两层的结构单元结构相同，但相互之间旋转90度；人工电磁材料层的基本单元包括两段弧长不同的金属谐振器，对应的圆心角分别为140度和160度或者其他非对称角度的组合，人工电磁材料的周期为毫米量级，成熟的PCB工艺可以轻松地完成人工电磁材料的制备。本发明提出的多峰交叉滤波器可以实现多个频段的交叉偏振转换，且该滤波器件具备良好的可调谐性，可实现太赫兹及光波段的多峰交叉偏振滤波器。

所述的太赫兹波段多峰交叉偏振滤波器，介质层采用单晶硅或者有机高分子聚合物介质材料，其厚度为亚毫米量级；所述的人工电磁材料为金属铝的非对称结构，厚度为200nm以上；人工电磁材料的周期为百微米量级。

所述的光波段多峰交叉偏振滤波器，介质层采用石英玻璃材料，其厚度为亚毫米量级；所述的人工电磁材料为金的非对称结构，厚度为纳米量级；人工电磁材料的周期为亚微米量级。

双层人工电磁材料的基本结构单元如图1(a)和图1(b)所示，非对称的金属铜谐振环1和3周期地刻蚀在厚度约为h=1.6mm的PCB介质层2的正反两面，两层人工电磁材料的基本结构单元尺寸相同，但两层的基本单元之间相互旋转90°，不对称金属线的内外半径分别为r=5.6mm和R=6.4mm，两段金属弧对应的圆心角分别为α=140°和β=160°。

图2给出了交叉偏振滤波器的示意图，包含起偏器4、新型人工电磁材料结构5和检偏器6，其中新型人工电磁材料结构5包含如图1(a)所示的金属铜谐振环1、3和介质层2，起偏器4与检偏器6的偏振方向7、8相互垂直。当新型人工电磁材料结构5处于两片相互正交的偏振器4和6之间时，交叉偏振滤波器将输出多个窄带的Txy。基于新型人工电磁材料的多峰交叉偏振滤波器的理论与实验结果如图3和图4所示。当电磁波垂直于样品表面入射时，Txx与Tyy相等，在4.2GHz,7.2GHz以及10.5GHz附近出现了3个窄带透射峰Txy，表明我们所设计的人工电磁材料样品可以完成多峰交叉偏振滤波的功能。介质层性能的进一步提高可改善多峰交叉偏振滤波器的性能，图5给出当基底的损耗减小时交叉偏振滤波器的传输特性，峰值透过率明显提高，滤波器的Q值显著提升。

Claims (4)

1.一种基于人工电磁材料的多峰交叉偏振滤波器，包括依次排布的起偏器、人工电磁结构和检偏器，所述人工电磁结构包括介质层和两层人工电磁材料层；其特征在于：所述两层人工电磁材料层分别位于介质层两侧的表面，每层人工电磁材料层由周期性排列的人工电磁材料基本单元构成，两层人工电磁材料层的单元结构相同，但相互之间旋转90度；所述人工电磁材料层的单元结构包括两段弧长不同的金属谐振器，对应的圆心角分别为140度和160度。

2.根据权利要求1所述的基于人工电磁材料的多峰交叉偏振滤波器，其特征是：所述介质层采用PCB材料，其厚度为毫米量级。

3.根据权利要求1所述的基于人工电磁材料的多峰交叉偏振滤波器，其特征是：介质层采用单晶硅或者有机高分子聚合物介质材料，其厚度为亚毫米量级；所述的人工电磁材料为金属铝的非对称结构，厚度为200nm以上；人工电磁材料的周期为百微米量级。

4.根据权利要求1所述的基于人工电磁材料的多峰交叉偏振滤波器，其特征是：所述的介质层采用石英玻璃材料，其厚度为亚毫米量级；所述的人工电磁材料为金的非对称结构，厚度为纳米量级；人工电磁材料的周期为亚微米量级。