应用于太赫兹波段的3‑比特透射式电磁编码超材料结构制造技术

本实用新型专利技术提供了一种应用于太赫兹波段的3‑比特透射式电磁编码超材料结构。其基本单元结构由三层金属开口谐振环结构和四层聚酰亚胺介质层交替排列构成，通过优化设计开口谐振环结构的几何参数，可使得每个单元在y极化垂直入射电磁波照射时呈现出8个独立的折射相位，对应数字态“0”到“7”。按预先设计的数字编码在二维平面上排列这些数字单元，就形成了3‑比特透射式电磁编码超材料。在太赫兹频段，3‑比特透射式电磁编码超材料可以折射入射电磁波，实现异常折射。由于聚酰亚胺介质出色的机械和化学性能，本实用新型专利技术具有柔性、抗腐蚀、抗物理磨损的优点，在太赫兹成像以及通信方面有着广阔的应用前景。

3 bit transmission encoding used in terahertz electromagnetic metamaterials

3 bit transmission type electromagnetic encoding of the utility model provides an application in terahertz metamaterial structure. The basic unit consists of three layers of metal split ring resonator structure and a four layer of polyimide dielectric layer composed of alternately arranged, through the optimization of geometric parameters of split ring resonator structure, can make each unit presents 8 independent refractive phase in Y polarization perpendicular to the incident electromagnetic wave irradiation, the corresponding number \0\ to \7 states\. The arrangement of the digital unit in the two-dimensional plane according to the digital encoding pre designed, formed 3 bit transmission type electromagnetic metamaterials encoding. In the terahertz band, 3 bit transmission encoding electromagnetic metamaterials can be refracted incident electromagnetic wave, realize the anomalous refraction. Because of the excellent mechanical and chemical properties of polyimide media, the utility model has the advantages of flexibility, corrosion resistance and resistance to physical wear, and has broad application prospects in terahertz imaging and communication.

【技术实现步骤摘要】
应用于太赫兹波段的3-比特透射式电磁编码超材料结构
本技术涉及一种新型人工电磁材料，尤其涉及一种应用于太赫兹波段的具有异常折射和无衍射贝塞尔波束功能的透射式电磁编码超材料。
技术介绍
在过去的20年里，超材料由于其超越自然的奇特电磁特性，逐渐巩固了其在前沿研究领域中独特的地位，吸引了物理界和工程界的广泛关注。超材料的介电常数和磁导率可以进行人为地构造，使得材料的获取不再受限于自然界。对电磁波的任意操控，传统方案通常是利用整块介质材料(传统透镜)或者依靠金属表面的形状(传统天线)来调控电磁场分布，但是此类方案都是依靠特定的几何形状或者透镜的等效折射率的所带来的空间相位累积实现的，因此具有较厚的厚度，不便于与其他设备集成。2011年Capasso等人提出了广义斯涅尔定律，通过在二维表面上引入不连续相位，将原本需要空间累积的相位变成平面上的相位突变补偿，使得利用二维超表面操控电磁波的幅度和相位成为可能，利用此技术来制作各种透镜及天线，将极大地缩减其物理尺寸并减轻重量。由于每个结构单元可以实现对电磁波幅度和相位的任意控制，因此通过设计更加复杂的相位分布，可以实现诸如涡旋波束和贝塞尔波束等；如果设计随机的相位分布，则可实现对入射波的随机漫反射，能够有效地降低目标的雷达散射截面，实现隐身。以上提到的超材料的单元设计一般都是微波频段的、体积较大、并且是非柔性的，难以与物体共型。本技术设计的应用于太赫兹波段的3-比特透射式电磁编码超材料则具有低剖面、高效率、柔性的优良特点，可调控太赫兹波实现异常折射和无衍射贝塞尔波束聚焦等功能。
技术实现思路
技术问题：本技术提供了一种应用于太赫兹波段的3-比特透射式电磁编码超材料结构，通过设计特定的数字编码序列并将其赋予材料中的每个基本单元，便可在y极化的垂直入射电磁波的照射下实现不同的功能，如异常折射和无衍射贝塞尔波束等。技术方案：本技术的一种应用于太赫兹波段的3-比特透射式电磁编码超材料结构，由八种基本单元结构按照预先设计的数字编码序列在二维平面内排列而构成，其基本单元结构由三层金属开口谐振环和四层聚酰亚胺介质层交替叠合构成，其中，顶部和底部开口谐振环的开口中心在二维平面内坐标系内分别沿着x轴和y轴方向，中间层的开口谐振环的开口中心分别沿着45°或135°方向，通过调整开口谐振环的开口角度及开口方向，来实现八个不同的数字态。所述的八种基本单元结构在y极化的垂直入射太赫兹波的照射下，其透射波的交叉极化分量能够覆盖360度相位范围，以45度相位差实现8个离散相位，分别对应于数字态“0”到“7”。所述八个不同的数字态编码“0”、“1”、“2”、“3”、“4”、“5”、“6”、“7”所对应的单元几何参数分别为30°/45°、50°/45°、68°/45°、90°/45°、30°/135°、49.5°/135°、67.5°/135°和87°/135°，其中α为开口谐振环的开口角度，为开口谐振环的开口中心绕z轴的旋转角度。优选的：所述聚酰亚胺介质层的厚度d1＝40μm，d2＝5μm，介电常数为3，损耗角正切为0.03；优选的：基本单元结构的单元周期长度L为100μm。优选的：8种基本单元结构的几何参数如下：注：编码单元对应的透射相位是频率为0.79THz时的测试结果有益效果：与现有技术相比，本技术的优势在于：1.本技术摒弃了传统采用等效媒质参数对超材料进行分析与设计的方案，采用离散的数字编码形式便于简洁有效地分析和设计超材料。2.本技术巧妙地利用一种金属开口谐振环与聚酰亚胺介质层交替排列的方式构成基本单元结构。相比于单层金属层的单元结构，突破了透射波交叉极化分量幅值的限制，实现了在太赫兹频段下的对透射波交叉极化分量的完美操控，即在高透射率的前提下，可实现360度的相位覆盖。3.本技术可通过赋予超材料不同的编码矩阵，使其在y极化垂直入射电磁波的照射下独立地呈现出不同角度的异常折射，或者不同聚焦长度的无衍射贝塞尔波束4.本技术结构设计简单，采用常规光刻工艺便可加工，易于量产。所制成的样品具有超薄超轻的特点，易于与现有系统集成；同时由于聚酰亚胺柔性的特点，也可覆盖在具体曲面形状的物体上，实现异常角度折射、无衍射贝塞尔波束和极化转化等。附图说明图1为本技术的3-比特透射式电磁编码超材料的功能示意图，其中y极化垂直入射波被转换为交叉极化并折射到异常角度；图2为本技术的基本单元结构的透视图，其由三层金属开口谐振环和四层聚酰亚胺介质层交替排列构成，其中两层内部的聚酰亚胺介质层(隔离层)和两层外部的聚酰亚胺介质层(覆盖层)的厚度分别为d1＝40μm和d2＝5μm；图3为本技术的基本单元结构的俯视图，单元结构的周期长度L＝100μm，八种数字态编码“0”、“1”、“2”、“3”、“4”、“5”、“6”、“7”所对应的单元几何参数分别为30°/45°、50°/45°、68°/45°、90°/45°、30°/135°、49.5°/135°、67.5°/135°和87°/135°，其中α为开口谐振环的开口角度，为开口谐振环的开口中心绕z轴的旋转角度；图4为八种基本编码单元的在0.79THz时的透射振幅及相位的仿真结果；图5为八种基本编码单元的透射相位的宽带性能的仿真结果，频率为0.8THz到1.2THz；图6为八种基本编码单元的透射振幅的宽带性能的仿真结果，频率为0.8THz到1.2THz；图7为两种不同编码的透射近场分布的数值仿真结果。(a)当编码矩阵为S1:0123456701234567….时，在y极化波的垂直入射下，x-z平面上的电场分布图(Ex分量)，频率为1.04THz；(b)当编码矩阵为S2:13571357…时，在y极化波的垂直入射下，x-z平面上的电场分布图(Ex分量)，频率为1.04THz；图8为两种不同编码的透射远场方向图的数值仿真结果。(a)当编码矩阵为S1:0123456701234567….时，在y极化波的垂直入射下，x-z平面二维远场辐射方向图，频率为1.04THz；(b)当编码矩阵为S2:13571357…时，在y极化波的垂直入射下，x-z平面二维远场辐射方向图，频率为1.04THz；图9为所产生的贝塞尔波束在x-z平面上的电场分布(Ex分量)的数值仿真结果。(a)在汇聚角度θ为5°(保持偏移值a＝0degree/μm)时，所产生的沿着法线方向的无衍射贝塞尔波束；(b)在汇聚角度θ为10°(保持偏移值a＝0degree/μm)时，所产生的沿着法线方向的无衍射贝塞尔波束；(c)在偏移值a＝0.1degree/μm(保持汇聚角为10°)时，所产生偏离法线方向的无衍射贝塞尔波束；(d)在偏移值a＝0.2degree/μm(保持汇聚角为10°)入射时，所产生的偏离法线方向的无衍射贝塞尔波束。具体实施方式本技术应用于太赫兹波段的3-比特透射式电磁编码超材料的基本单元结构：由三层金属开口谐振环和四层聚酰亚胺介质层交替排列构成，即从上至下为聚酰亚胺介质层、开口谐振环金属层、聚酰亚胺介质层、开口谐振环金属层、聚酰亚胺介质层、开口谐振环金属层、聚酰亚胺介质层。将所述基本单元结构按照预先设计的数字编码矩阵排列在二维平面上，便可实现如异常本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用于太赫兹波段的3‑比特透射式电磁编码超材料结构，其特征在于，该材料由八种基本单元结构按照预先设计的数字编码序列在二维平面内排列而构成，其基本单元结构由三层金属开口谐振环和四层聚酰亚胺介质层交替叠合构成，其中，顶部和底部开口谐振环的开口中心在二维平面内坐标系内分别沿着x轴和y轴方向，中间层的开口谐振环的开口中心分别沿着45°或135°方向，通过调整开口谐振环的开口角度及开口方向，来实现八个不同的数字态。

【技术特征摘要】
1.一种应用于太赫兹波段的3-比特透射式电磁编码超材料结构，其特征在于，该材料由八种基本单元结构按照预先设计的数字编码序列在二维平面内排列而构成，其基本单元结构由三层金属开口谐振环和四层聚酰亚胺介质层交替叠合构成，其中，顶部和底部开口谐振环的开口中心在二维平面内坐标系内分别沿着x轴和y轴方向，中间层的开口谐振环的开口中心分别沿着45°或135°方向，通过调整开口谐振环的开口角度及开口方向，来实现八个不同的数字态。2.根据权利要求1所述的应用于太赫兹波段的3-比特透射式电磁编码超材料结构，其特征在于，所述的八种基本单元结构在y极化的垂直入射太赫兹波的照射下，其透射波的交叉极化分量能够覆盖360度相位范围，以45度相位差实现8个离散相位，分别对应于数字态“0”到“7”。3.根据权利要求1或2所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔铁军，刘硕，罗钧，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：新型
国别省市：江苏,32