用于二维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面制造技术

本发明专利技术公开一种用于二维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面，该石墨烯超表面由N*N个数量单位的石墨烯反射单元排列组成，每一个石墨烯反射单元包括最上层的石墨烯贴片、中间层的石英介质板以及底层的金属地板；石墨烯贴片设置在石英介质板上表面的中心点位置，且石墨烯贴片设置在石英介质板上表面的旋转角度为θ，金属地板设置在石英介质板的下表面，石墨烯贴片的中心点与石英介质板的中心点重合，其中θ为‑90°～90°范围内任意角度；每一个石墨烯单元的石墨烯贴片设置在石英介质板上表面的旋转角度θ由石墨烯超表面各个位置处的反射相位分布来确定。本发明专利技术所述石墨烯超表面能够对电磁波在二维方向上的自旋角动量和偏转方向进行控制。

Graphene Supersurface for Spin Angular Momentum Deflection in Two Dimensions

【技术实现步骤摘要】
用于二维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面
本专利技术涉及微波通信的
，尤其涉及一种用于二维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面。
技术介绍
自旋角动量(SAM)是一个表征电磁波的旋转状态的动量，它与电磁波的极化状态有关。电磁波的极化状态不同，可以用来携带不同的信息，也可以用于波束分裂器进行波束分离等，因此如何有效操控电磁波的SAM也被越来越多学者关注。为了有效地控制SAM，反射界面的补偿阶段的精确操作是必不可少的，但是现有的在太赫兹(THz)频段用来控制SAM的器件，大多使用的金材料，这种材料造价较高，而用普通金属单元制备的话，由于金属在高频频段的趋肤效应，电流集中在金属单元表面，造成电流分布不平均引起整体阻抗增加，产生较大损耗。
技术实现思路
为了解决上述技术缺陷，本专利技术的主要目的在于提供一种用于二维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面，可以对电磁波在二维方向上的自旋角动量和偏转方向进行控制，旨在解决现有技术中金属超表面因电流分布不平均造成单元阻抗增加而使整个金属超表面损耗高的技术问题。为实现上述目的，本专利技术提供了一种用于二维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面，该石墨烯超表面由N*N个数量单位的石墨烯反射单元排列组成，每一个石墨烯反射单元是由三层结构组成长方体结构，每一个石墨烯反射单元包括最上层的石墨烯贴片、中间层的石英介质板以及底层的金属地板；所述石墨烯贴片设置在石英介质板上表面的中心点位置，且石墨烯贴片设置在石英介质板上表面的旋转角度为θ，所述金属地板设置在石英介质板的下表面，所述石墨烯贴片的中心点与石英介质板的中心点重合，其中，所述旋转角度θ为-90°～90°范围内任意角度；每一个石墨烯单元的石墨烯贴片设置在石英介质板上表面的旋转角度θ由所述石墨烯超表面各个位置处的反射相位分布来确定，所述石墨烯超表面各个位置处的反射相位分布通过下式进行计算：Φ(x,y)＝Φ0(x,y)-k0xsinθ'θ＝Φ(x,y)/2其中上两式中的Φ(x,y)为石墨烯反射单元的反射相位，k0为自由空间中的波数，Φ(x,y)为石墨烯反射单元的初始相位，θ′为电磁波在二维方向上的投影与X轴的夹角，x和y分别为每一石墨烯反射单元的位置坐标中的横坐标、纵坐标，θ为每个石墨烯贴片在石墨烯单元上的旋转角度。优选的，所述石墨烯贴片为矩形，所述石英介质板和金属地板均为一种上下表面均为正方形的长方体结构。优选的，所述石墨烯反射单元的尺寸参数如下：所述石墨烯贴片的长度为13.39um、宽度为3.2um；所述石英介质板的边长为14um、厚度为26um；所述金属地板的边长为14um、厚度为1um。优选的，所述石墨烯超表面的工作频率为1.36～1.62THz频段的太赫兹频段。优选的，所述石墨烯贴片在小于10THz频率的低太赫兹频段内工作时，在低太赫兹频段内的电导率由带内电导率σintra决定，并由下式计算：j为虚数单位，e为单位电荷，kB为波尔兹曼常数，是约化普朗克常数，T是室温，Γ是石墨烯散射率，τ是弛豫时间，ω是角频率，μc为化学势。优选的，其中T为300K、化学势μc＝0.64eV、弛豫时间τ＝14.6ps、石墨烯贴片的散射率为Γ＝1/(2τ)。优选的，所述石墨烯超表面由51*51个数量单位的石墨烯反射单元排列组成，该石墨烯超表面的表面大小为714um*714um。优选的，每一个石墨烯反射单元之间相互无缝隙排列构成长方体结构的石墨烯超表面。相较于现有技术，本专利技术提出新参数结构的石墨烯反射单元并利用这种石墨烯反射单元构建的石墨烯超表面能够对应用在太赫兹频段电磁波，能实现二维方向上的自旋角动量和反射波的偏转方向进行控制，也能够实现对任意圆极化波实现同极化转换，与现有技术中相比使用通常金材料的超表面，具有结构简单，表面损耗小，成本适中等优点。附图说明图1为本专利技术用于二维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面的立体结构示意图；图2是构成石墨烯超表面的单个石墨烯反射单元的结构示意图；图3为石墨烯反射单元中石墨烯贴片的角度旋转示意图；图4为利用HFSS仿真软件建立石墨烯反射单元的仿真模型示意图；图5是石墨烯反射单元的反射相位和反射幅度的曲线示意图；图6为石墨烯超表面中的所有石墨烯反射单元分布的俯视图；图7为石墨烯超表面的石墨烯贴片旋转角度分布图；图8为用于二维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面的归一化辐射方向图。本专利技术目的实现、功能特点及优点将结合实施例，将在具体实施方式部分一并参照附图做进一步说明。具体实施方式为更进一步阐述本专利技术为达成上述目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本专利技术的具体实施方式、结构、特征及其功效进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。参考图1所示，图1为本专利技术用于二维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面的立体结构示意图。为了构建一个能够在二维方向上自旋角动量偏转的的石墨烯超表面2，本实例提供了一种由51*51个数量单位的石墨烯反射单元1排列组成的石墨烯超表面2，该石墨烯超表面2的表面大小为714um*714um。每一个石墨烯反射单元1之间相互无缝隙排列构成一个长方体结构的石墨烯超表面2；当石墨烯超表面2工作频率f＝1.5THz时，当一个左旋圆极化波垂直入射到该石墨烯超表面2上时，该石墨烯超表面2就能够二维方向上的投影与X轴的夹角位25°的方向上反射出一个相同极化方式的电磁波。因此，本实例从输入单元103输入51*51个数量单位的石墨烯反射单元1排列构建石墨烯超表面2，每一个石墨烯反射单元1的排列位置的横坐标位置和纵坐标位置用x和y表示。本专利技术提出一种反射型的石墨烯超表面2，它由一定数量的石墨烯反射单元1(参考图2)构成的。通过计算每个位置上的石墨烯反射单元1处所需的反射相位，并按照这种分布规律构建出的石墨烯超表面2，就能够在垂直方向上反射出一个相同极化方式的电磁波。本专利技术提出了一种石墨烯反射单元1，通过结合Pancharatnam-Berry(PB)相位方法，使每个单元满足对x极化波和y极化波的相位差为180的条件，当一个左旋或右旋圆极化波垂直激励设计的超表面时，该超表面能够使带有SAM的波束能够向任意期望的方向偏转。参考图2所示，图2是构成石墨烯超表面的单个石墨烯反射单元的结构示意图。在本实施例中，所述石墨烯反射单元1由三层结构组成的长方体结构，包括最上层的石墨烯贴片11、中间层的石英介质板12以及底层的金属地板13。所述石墨烯贴片11设置在石英介质板12上表面的中心点位置，且石墨烯贴片11设置在石英介质板12上表面的旋转角度为θ(即石墨烯贴片11的长边与三维空间坐标轴X轴之间的夹角为θ)，金属地板13设置在石英介质板12的下表面。其中，θ为-90°～90°范围内任意角度。石墨烯贴片11的中心点与石英介质板12的中心点重合，石墨烯贴片11设置在石英介质板12上表面的旋转角度θ都是围绕这个中心点进行旋转形成的。作为优选实施例，所述石墨烯反射单元1的实际尺寸参数如下：石墨烯贴片11为矩形，该石墨烯贴片11的长度a为13.39um、宽度b为3.2um；石英介质板12为一种上下表面均为正方形的长方体结构，该石英介质板12的边长s为14um、厚度h为26um；金属地板1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于二维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面，其特征在于，该石墨烯超表面由N*N个数量单位的石墨烯反射单元排列组成，每一个石墨烯反射单元是由三层结构组成长方体结构，每一个石墨烯反射单元包括最上层的石墨烯贴片、中间层的石英介质板以及底层的金属地板；所述石墨烯贴片设置在石英介质板上表面的中心点位置，且石墨烯贴片设置在石英介质板上表面的旋转角度为θ，所述金属地板设置在石英介质板的下表面，所述石墨烯贴片的中心点与石英介质板的中心点重合，其中，所述旋转角度θ为‑90°～90°范围内任意角度；每一个石墨烯单元的石墨烯贴片设置在石英介质板上表面的旋转角度θ由所述石墨烯超表面各个位置处的反射相位分布来确定，所述石墨烯超表面各个位置处的反射相位分布通过下式进行计算：Φ(x,y)＝Φ0(x,y)‑k0xsinθ'，其中θ＝Φ(x,y)/2其中上两式中的Φ(x,y)为石墨烯反射单元的反射相位，k0为自由空间中的波数，Φ(x,y)为石墨烯反射单元的初始相位，θ′为电磁波在二维方向上的投影与X轴的夹角，x和y分别为每一石墨烯反射单元的位置坐标中的横坐标、纵坐标，θ为每个石墨烯贴片在石墨烯单元上的旋转角度。

【技术特征摘要】
1.一种用于二维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面，其特征在于，该石墨烯超表面由N*N个数量单位的石墨烯反射单元排列组成，每一个石墨烯反射单元是由三层结构组成长方体结构，每一个石墨烯反射单元包括最上层的石墨烯贴片、中间层的石英介质板以及底层的金属地板；所述石墨烯贴片设置在石英介质板上表面的中心点位置，且石墨烯贴片设置在石英介质板上表面的旋转角度为θ，所述金属地板设置在石英介质板的下表面，所述石墨烯贴片的中心点与石英介质板的中心点重合，其中，所述旋转角度θ为-90°～90°范围内任意角度；每一个石墨烯单元的石墨烯贴片设置在石英介质板上表面的旋转角度θ由所述石墨烯超表面各个位置处的反射相位分布来确定，所述石墨烯超表面各个位置处的反射相位分布通过下式进行计算：Φ(x,y)＝Φ0(x,y)-k0xsinθ'，其中θ＝Φ(x,y)/2其中上两式中的Φ(x,y)为石墨烯反射单元的反射相位，k0为自由空间中的波数，Φ(x,y)为石墨烯反射单元的初始相位，θ′为电磁波在二维方向上的投影与X轴的夹角，x和y分别为每一石墨烯反射单元的位置坐标中的横坐标、纵坐标，θ为每个石墨烯贴片在石墨烯单元上的旋转角度。2.如权利要求1所述的用于二维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面，其特征在于，所述石墨烯贴片为矩形，所述石英介质板和金属地板均为一种上下表面均为正方形的长方体结构。3.如权利要求2所述的用于二维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晨，邓力，李书芳，张贯京，葛新科，张红治，
申请(专利权)人：深圳市景程信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44