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CN110133759B - 一种基于vo2的动态太赫兹超透镜 - Google Patents

一种基于vo2的动态太赫兹超透镜 Download PDF

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Abstract

本发明属于电磁功能器件技术领域，重点针对太赫兹波段动态功能器件。本发明采用二氧化钒C型开口环、金属C型开口环以及二氧化钒和金属复合开口环的相位调制单元结构，根据结构的尺寸、开口朝向和开口环材料变换实现相位的非连续变化；利用二氧化钒的相变特性，改变结构的谐振模式，从而改变结构的透射相位，实现对超透镜动态焦点的控制；在衬底上阵列排布的3种相位调制单元结构具有多重相位选择的功能，实现太赫兹波束汇聚。在激光照射下，x‑线极化太赫兹波垂直入射，远距离y‑极化波束聚焦；在非激光照射下，x‑线极化太赫兹波垂直入射，进距离y‑极化波束聚焦。最终实现远、近焦点的动态切换，完成超透镜的动态调制。

Description

一种基于VO2的动态太赫兹超透镜
技术领域
本发明属于电磁功能器件技术领域，重点针对太赫兹波段动态功能器件。
背景技术
动态控制或者可调谐的太赫兹器件的研究目前正是一个热门方向也是未来器件研究的一个发展趋势。基于超材料的可调谐器件的研究通常基于不同外部条件如电场、磁场、温度、光激励等来改变谐振点的频率或者幅度。比如通过激光来控制光导半导体材料的电导率或者温度控制超导材料的电阻等设计可调谐的THz调制器。这与以前要通过改变结构的尺寸来获得可调谐相比较，更加地节约成本，不需要多次加工测试，一个模板就可以实现。
按照调制方式进行区分，太赫兹调制技术通常可以分为2种方法：一种为间接调制，即基于现有微波通信技术，采用在低频微波段调制方式，通过倍频技术到太赫兹频段实现通信过程；另一种为直接调制，即在太赫兹源上直接加载调制信号，实现太赫兹无线通信。从目前研究情况来看，普遍认为直接调制能够充分利用太赫兹波的特点，实现高速大容量通信。
传统的透镜在生产的各个领域都有着及其广发的应用。透镜也是精密光学仪器的必要部分，但是制作透镜，尤其是应用于精密光学设备的透镜需要尖端的制造技术。现代仪器设备对微型化和高孔径透镜的需求，对于目前最尖端的制造业也是很大的挑战。利用超表面对振幅和相位的控制能力，国内外学者设计了众多的基于超表面的透镜。但是这些超透镜一旦成型，焦点固定单一；或是单一焦点聚焦，或是针对不同类型的波束呈现不同距离的波束汇聚，无法实现焦点动态调制。
发明内容
针对上述存在问题或不足，为解决现有太赫兹透镜焦点单一，无法实现焦点动态调制的问题，本发明提供了一种基于VO2的动态太赫兹超透镜。
一种基于二氧化钒的动态太赫兹超透镜，包括：石英基底、相位调制单元结构。
所述相位调制单元结构为二氧化钒C型开口环、金属C型开口环以及二氧化钒和金属的复合C型开口环；其中，二氧化钒弧和金属复合C型开口环的两端为二氧化钒弧，中间为金属。
所有相位调制单元结构按照相位聚焦需求在石英基底上排列成圆周阵列；并通过控制二氧化钒金属态和介质态来控制太赫兹波的透射相位，从而实现焦点切换。
具体C型开口环的设置方法如下：根据超透镜的相位聚焦公式
Figure GDA0002435203830000011
其中，Ф为相位突变值，F为透镜的焦距，R为透镜的径向向外的距离，λ为波长，k是一个任意整数。在基底上选取某一点作为透镜中心，同时确定结构周期，然后根据所设置的焦点和透镜上结构具体位置计算出调制相位值。
接着，根据每一个具体径向位置所计算的相位值，调节该位置开口环的开口大小和开口朝向以实现单元结构在具体位置的相位调制。
根据超透镜聚焦特性预设双焦点，计算出两组相应的相位调制数值，继而得到两组结构参数，然后将两组结构参数整合到一组架构中。
选择双焦点中近焦点的结构参数，作为金属C型开口环的结构参数；双焦点中远焦点的结构参数，作为二氧化钒C型开口环的结构参数；金属C型开口环与二氧化钒C型开口环交叠的位置采用二氧化钒弧和金属复合C型开口环。
所述二氧化钒弧和金属复合C型开口环，是在金属环的基础上，将远焦点的结构参数加载上去，最终将两组结构参数整合到一组结构中得到。
每个结构到透镜中心的距离R,带入公式以求解出具体位置的相位调制值Φ。若要实现波束聚焦，聚焦相位调制范围必须达到2π，即在计算中，透镜根据结构位置调制的相位Φ必须大于或等于2π。径向距离越远，所需调制相位越大，达到2π相位调制的结构位置R就是透镜的边缘。计算出一组透镜径向位置的相位调制数值，再根据相位值对结构尺寸进行仿真调制和优化。
该透镜的基本结构是C型开口环结构，斜45°角放置的C 型结构，可以实现极化转换，极化转换后的透射波具有大范围的相位变化，调节开口大小可以调节极化转换相位。同一开口朝向，开口越大，调制相位越大。根据几何相位调制原理可知，45°倾斜的C 型结构，在同一开口大小下旋转90°，相位变化可增加180°。
进一步的，所述相位调制单元结构中的金属材料为金、铝、铜或银。
本发明将二氧化钒与金属结构相结合，采用二氧化钒C型开口环、金属C型开口环以及二氧化钒和金属复合开口环的相位调制单元结构，根据结构的尺寸、开口朝向和开口环材料变换实现相位的非连续变化；利用二氧化钒的相变特性，改变结构的谐振模式，从而改变结构的透射相位，实现对超透镜动态焦点的控制；在衬底上阵列排布的3种相位调制单元结构具有多重相位选择的功能，实现太赫兹波束汇聚。在激光照射下，x-线极化太赫兹波垂直入射，远距离y-极化波束聚焦；在非激光照射下，x-线极化太赫兹波垂直入射，进距离y-极化波束聚焦。最终实现远、近焦点的动态切换，完成超透镜的动态调制。
本发明的有益效果是，(1)实现了一结构双相位的调制效果。(2)具有一定的可塑性：在保持单元整体结构不变的情况下，通过改变开口大小，以改变透射相位；大幅改变圆环半径，以调制频带位置，调制器调制频率高达0.82T。(3)其阵列单元是一种二维平面结构，可通过微细加工手段实现，工艺成熟、易于制作，避免了复杂立体结构的设计方案带来的高难度加工。(4)本发明是透射式的太赫兹波调相器，相比于反射式的调相器，操作更简单，使用更方便。(5)本发明的结构单元，尺寸调整，透射相位变化可以覆盖0～2π，各个单元透射率稳定0.3～0.5，聚焦效果稳定。
附图说明
图1为本发明超透镜整体二维结构设计方案示意图，其中：图1-1为本发明整体二维结构示意图，图1-2为二氧化钒和金属的复合C型开口环示意图，图1-3为实施例的相位调制单元结构图；
图2未激光照射时，实施例的单元振幅相位图；
图3激光照射时，实施例的单元振幅相位图；
图4为实施例焦点切换仿真场图，其中：图4-4为实施例远焦聚焦仿真侧视切面场图，图4-5为实施例远焦聚焦仿真焦点切面场图，图4-6为实施例近焦聚焦仿真侧视切面场图，图4-7为实施例近焦聚焦仿真焦点切面场图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
本实施例根据相位调制原理，设计出能覆盖0～2π的16个单元结构，该16个结构所调制的相位根据相位聚焦公式：
Figure GDA0002435203830000031
计算所得(Ф相位突变值；F透镜的焦距；R透镜的径向向外的距离；λ波长；k是一个任意整数)。
该透镜的基本结构是C型开口环结构，斜45°角放置的C 型开口环结构，可以实现极化转换，极化转换后的透射波具有大范围的相位变化，调节开口大小可以调节极化转换相位，第1-12个结构据此而得。根据几何相位调制原理可知，45°倾斜的C 型结构在旋转90°的情况下，相位变化为180°。13-16个结构在开口变化的情况下，做了90°旋转。调节C型结构开口大小以调节谐振类型，调节开口朝向以改变极化转换效率，进而改变单元结构的透射相位。
根据超透镜聚焦特性，预设超透镜的焦点，以计算出从不同位置的太赫兹波汇聚在该焦点处所需要的相位调制。据此，得出单元周期P＝200um的超透镜，在预设焦点10mm时需要16个单元结构才能满足2π范围的相位调制；在预设焦点3mm时需要9个单元结构才能满足2π范围的相位调制。16个结构调制相位及结构开口角度如表一。
表一：结构调制相位及开口角度
Figure GDA0002435203830000041
采用两种材料的复合结构，以将两个焦点结构参数在一组16个单元结构(图1-2)中选择性表现。C环金属部分的开口大小满足3mm聚焦，用VO2弧延伸C 环，改变C 环开口，使最终的所有结构开口满足10mm聚焦。便得到了16个复合结构的谐振环。根据相位需求调整二氧化钒的占比得到16个复合单元结构。在非激光照射下，VO2呈现介质状态，金属部分满足3mm聚焦；在一定的激光照射下，VO2呈现金属状态，金属部分和VO2部分整体满足10mm聚焦。
该16个结构以所处固定调制位置到调制平面圆点为半径，按圆周的方式均匀平移排列。第一圈为两个结构，第二圈为8个结构，依次向外每增加一圈，增加4个结构，最终形成平面调制阵列(图1-1)。该16个结构按照所处半径旋转2π排列组成一个圆周二维平面 (图1-1)。在石英基板上，镀 上VO2薄膜，光刻出所设计的VO2的形状结构，作为第二焦点的相位调制。然后镀 上一层金膜，光刻出第一焦点相位的相位调制结构。在金属和VO2的交接处材料进行交叠覆盖2-5um(图1-3)以保证材料连接无误。
该结构在VO2介质态时，如图2所示金属部分单元结构对应的相位变化覆盖了2π范围且透射率基本稳定在0.25以上：
该结构在VO2金属态时，VO2和金属构成一个整体金属环，金属部分和VO2部分都参与调制，超透镜16个结构具有新的相位调制效果，如图3所示16个单元对应的相位覆盖了 2π相位，透射率稳定在0.3以上。
应用CST仿真软件对该结构进行聚焦仿真，模拟焦点切换状态。VO2金属态时，侧面观测，太赫兹波束汇聚在透镜后7.5mm处(图4-4)；7.5mm处横切面，场图聚焦成一个圆点(图4-5)。当VO2处于介质态时，太赫兹波束汇聚在透镜后2.5mm处(图4-6)；2.5mm处横切面，场图聚焦成一个圆点(图4-7)。
综上可见，本发明实现了一结构双相位的调制效果，调制频率高达0.82T。

Claims (2)

1.一种基于VO2的动态太赫兹超透镜，其特征在于：
包括：石英基底和相位调制单元结构；
所述相位调制单元结构为二氧化钒C型开口环、金属C型开口环以及二氧化钒和金属复合C型开口环；其中，二氧化钒和金属复合C型开口环的两端为二氧化钒弧段，中间为金属；
所有相位调制单元结构按照相位聚焦需求在石英基底上排列成圆周阵列；并通过控制二氧化钒金属态和介质态来控制太赫兹波的透射相位，从而实现焦点切换；
具体C型开口环的设置方法如下：根据超透镜的相位聚焦公式
Figure FDA0002435203820000011
其中，Ф为相位突变值，F为透镜的焦距，R为透镜的径向向外的距离，λ为波长，k是一个任意整数；在基底上选取某一点作为透镜中心，同时确定结构周期，然后根据所设置的焦点和透镜上结构具体位置计算出调制相位值；
接着，根据每一个具体径向位置所计算的相位值，调节该位置开口环的开口大小和开口朝向以实现单元结构在具体位置的相位调制；
根据超透镜聚焦特性预设双焦点，计算出两组相应的相位调制数值，继而得到两组结构参数，然后将两组结构参数整合到一组相位调制结构中；
选择双焦点中近焦点的结构参数，作为金属C型开口环的结构参数；双焦点中远焦点的结构参数，作为二氧化钒C型开口环的结构参数；金属C型开口环与二氧化钒C型开口环交叠的位置采用二氧化钒和金属复合C型开口环；
所述二氧化钒和金属复合C型开口环，是在金属C型开口环的基础上，将远焦点的结构参数加载上去，最终将两组结构参数整合到一组相位调制结构中得到；
将R带入公式以求解出具体位置的相位调制值Ф，Ф≥2π；计算出一组透镜径向位置的相位调制数值，再根据相位值对结构尺寸进行仿真调制和优化。
2.如权利要求1所述基于VO2的动态太赫兹超透镜，其特征在于：所述相位调制单元结构中的金属材料为金、铝、铜或银。
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