一种双频功能性超表面及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种双频功能性超表面及其设计方法，所述双频功能性超表面为太赫兹波段中的二氧化钒复合铝天线单元，包括从下到上依次设置的铝片层、聚合物层及复合图案层；本发明专利技术通过引入相变材料二氧化钒，实现了超表面中对太赫兹线偏振和圆偏振波动态调控，提高了太赫兹波的调制深度；将正将正结构式双D型谐振器和反结构式双C型谐振器组合形成的超表面单元，实现了在0.52THz和0.98THz频点下相互不串扰的功能设计。

【技术实现步骤摘要】
一种双频功能性超表面及其设计方法
本专利技术属于太赫兹通信领域，具体涉及一种双频功能性超表面及其调控方法。
技术介绍
超材料是指具有人工电磁结构且具有特殊电磁特性的合成复合材料，传统超材料的精确几何尺寸形状和尺寸用于与入射电磁波相互作用以实现特殊的响应。已经开发了一些具有良好潜在应用的研究，例如负折射率，自发发射增强和隐身，作为厚度小于入射波长的层状结构，超表面(超材料的二维替代物)可应用于巨大的光子自旋霍尔效应，全息投影等，并静态地控制电磁波的振幅，相位，极化转换和传播状态。然而，在太赫兹波段中对于左旋和右旋圆偏振波的动态调控存在很大的局限性。将相变材料引入结构是一种非常有前途的方法，相变材料是指可以通过材料的特征从一种相转变为另一种相的过程，此外，大多超表面都存在单一频率工作的缺点，通过将正结构式谐振棒和反结构式谐振环组合形成的单元可以实现不同频率下互不串扰的功能设计，但同时实现动态可调和多频率工作的特性从目前来看依然是非常棘手的问题。
技术实现思路
针对现有技术中的上述不足，本专利技术提供的双频功能性超表面及其设计方法解决了现有的太赫兹波段中的超表面无法同时实现双频、波前控制及动态可切换的问题。为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：一种双频功能性超表面，其特征在于，所述双频功能性超表面为太赫兹波段中的二氧化钒复合铝天线单元，包括从下到上依次设置的铝片层、聚合物层及复合图案层；所述铝片层、聚合物层及复合图案层均为正方形结构；所述复合图案层包括从外到内的复合弧形、第一圆环、第二圆环及相变结构；所述复合弧形、第一圆环和第二圆环共圆心，所述复合弧形外边缘为矩形，其内边缘为圆形，所述复合弧形的内边缘与第一圆环之间通过两个天线臂连接，两个所述天线臂处于同一直线上；所述相变结构嵌于所述第二圆环的内圆的直径所在线上。进一步地，所述相变结构的材料为二氧化钒；所述第一圆环形成反结构式的双C型谐振器；所述第二圆环形成正结构式的双D型谐振器。进一步地，所述正方形结构的边长P为140um；所述铝片层和复合图案层的高度均为0.2um；所述聚合物层的高度为30um；在所述复合图案层中，第二圆环内边缘的半径R1为30um，其外边缘的半径R2为35um，所述第一圆环内边缘的半径R3为45um，所述第一圆环外边缘的半径R5为63um，所述复合弧形内边缘的半径R4为68um，两个所述天线臂及相变结构的宽度w均为5um；所述相变结构所在直线与复合图案层的圆心所在水平线之间锐角夹角θ1对应于相移时双D型谐振器的旋转角度，所述天线臂所在直线与复合图案层的圆心所在水平线之间的锐角夹角θ2对应于相移时双C型谐振器的旋转角度。一种双频功能性超表面的设计方法，包括以下步骤：S1、通过琼斯矩阵确定双频功能性超表面中圆偏振入射时的相位和反射系数；S2、基于确定的相位和反射系数，通过有限元法对二氧化钒复合铝天线单元进行仿真，确定其对应的结构参数；S3、通过太赫兹通信编码方式对采用确定结构参数的二氧化钒复合铝天线单元中的复合层图案进行编码及卷积运算，并设计出用于太赫兹光束的三种超表面；S4、对于三种超表面，分别计算出0.52THz频点和0.98THz频点下对应天线单元的反射系数和相位，进而对三种超表面进行物理建模；S5、对建模得到的三种超表面进行仿真，计算其对应的远场实际效果，并从相位和电场强度的角度对设计得到的三种超表面进行验证，完成双频功能性超表面的设计。进一步地，所述步骤S3中，通过太赫兹通信编码方式对复合层图案进行编码及卷积运算的方式为：其中，等号左边分别为进行卷积操作前双D型谐振器和双C型谐振器对应的两个编码超表面，等号右边为卷积后的编码超表面。进一步地，所述步骤S3中，设计出的用于太赫兹光束的三种超表面对应的功能分别为光束分裂、聚集或发射以及聚焦或漩涡光束。进一步地，对于0.52THz频点下的超表面，二氧化钒相变前后双频功能性超表面功能保持不变，依次为一维光束分裂、一维聚焦或发射以及二维聚焦或涡旋光束；对于0.98THz频点下的超表面，二氧化钒相变前双频超表面功能发生变化，依次为二维光束分裂、一维聚焦或发散以及涡旋光束，且在二氧化钒相变后，双频超表面的功能完全消失。进一步地，对于0.98THz频点下的超表面，通过调控二氧化钒的热光效应，实现对超表面的功能调控。进一步地，所述超表面在实现一维光束分裂和二维光束分裂的功能时，反射圆偏振铅笔光相对于入射角的偏转角根据超表面的偏转角计算公式确定。进一步地，所述步骤S3中，在进行太赫兹光束的三种超表面的设计时，超表面的偏转角θr±的计算公式为：式中，θr±为偏转角，nr和ni分别为反射和入射时介质的折射率，θi和ko为分别是入射角和真空的波矢，为超表面上的几何相位梯度；所述超表面实现一维聚焦功能时的相移为：式中，为具体位置x的相移，为超表面聚焦中心的初始相移，f为焦距，x为编码粒子在x轴上的中心坐标，x0为焦点的x坐标；所述超表面实现二维聚焦功能时的相移为：式中，为具体位置(x,y)的相移，ko、f、x和x0的值均为0，y为超表面结构单元在x轴的中心坐标和焦点的y坐标；所述超表面实现涡旋光束功能时的二维相移为：式中，l为拓扑电荷，arctan(x/y)用于表征超表面结构单元的方位角。本专利技术的有益效果为：(1)本专利技术通过引入相变材料二氧化钒，实现了超表面中对太赫兹线偏振和圆偏振波动态调控，提高了太赫兹波的调制深度；(2)本专利技术中将正将正结构式双D型谐振器和反结构式双C型谐振器组合形成的超表面单元，实现了在0.52THz和0.98THz频点下相互不串扰的功能设计；(3)本专利技术通过太赫兹编码和卷积运算，在0.52THz和0.98THz频点下实现了三种功能的超表面，其中包括太赫兹光束的一维光束分裂(二维光束分裂)、一维聚焦(发散)和二维聚焦(涡旋光束)，其中，在0.98THz频点下的二维光束分裂、一维聚焦(发散)和涡旋光束均是可通过温度进行功能开关的。附图说明图1为本专利技术提供的双频功能性超表面立体结构图。图2为本专利技术提供的双频功能性超表面俯视图。图3为本专利技术提供的双频功能性超表面侧视图。图4为本专利技术提供的双频功能性超表面的设计方法流程图。图5为本专利技术提供的双频功能性超表面功能切换示意图。图6为本专利技术提供的双频功能性超表面实现一维/二维光束分裂功能示意图。图7为本专利技术提供的双频功能性超表面实现一维聚焦(发散)功能示意图。图8为本专利技术提供的双频功能性超表面实现二维聚焦(发散)功能示意图。图9为本专利技术提供的双频功能性超表面实现涡旋光束的功能示意图。其中：1、铝片层；2、聚合物层；3、复合图案层；3-1、复本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双频功能性超表面，其特征在于，所述双频功能性超表面为太赫兹波段中的二氧化钒复合铝天线单元，包括从下到上依次设置的铝片层(1)、聚合物层(2)及复合图案层(3)；/n所述铝片层(1)、聚合物层(2)及复合图案层(3)均为正方形结构；/n所述复合图案层(3)包括从外到内依次设置的复合弧形(3-1)、第一圆环(3-2)、第二圆环(3-4)及相变结构(3-5)；/n所述复合弧形(3-1)、第一圆环(3-2)和第二圆环(3-4)共圆心，所述复合弧形(3-1)外边缘为矩形，其内边缘为圆形，所述复合弧形(3-1)的内边缘与第一圆环(3-2)之间通过两个天线臂(3-3)连接，两个所述天线臂(3-3)处于同一直线上；/n所述相变结构(3-5)嵌于所述第二圆环(3-4)的内圆的直径所在线上。/n

【技术特征摘要】
1.一种双频功能性超表面，其特征在于，所述双频功能性超表面为太赫兹波段中的二氧化钒复合铝天线单元，包括从下到上依次设置的铝片层(1)、聚合物层(2)及复合图案层(3)；
所述铝片层(1)、聚合物层(2)及复合图案层(3)均为正方形结构；
所述复合图案层(3)包括从外到内依次设置的复合弧形(3-1)、第一圆环(3-2)、第二圆环(3-4)及相变结构(3-5)；
所述复合弧形(3-1)、第一圆环(3-2)和第二圆环(3-4)共圆心，所述复合弧形(3-1)外边缘为矩形，其内边缘为圆形，所述复合弧形(3-1)的内边缘与第一圆环(3-2)之间通过两个天线臂(3-3)连接，两个所述天线臂(3-3)处于同一直线上；
所述相变结构(3-5)嵌于所述第二圆环(3-4)的内圆的直径所在线上。


2.根据权利要求1所述的双频功能性超表面，其特征在于，所述相变结构(3-5)的材料为二氧化钒；
所述第一圆环(3-2)形成反结构式的双C型谐振器；
所述第二圆环(3-4)形成正结构式的双D型谐振器。


3.根据权利要求1所述的双频功能性超表面，其特征在于，所述正方形结构的边长P为140um；
所述铝片层(1)和复合图案层(3)的高度均为0.2um；
所述聚合物层(2)的高度为30um；
在所述复合图案层(3)中，第二圆环(3-4)内边缘的半径R1为30um，其外边缘的半径R2为35um，所述第一圆环(3-2)内边缘的半径R3为45um，所述第一圆环(3-2)外边缘的半径R5为63um，所述复合弧形(3-1)内边缘的半径R4为68um，两个所述天线臂(3-3)及相变结构(3-5)的宽度w均为5um；
所述相变结构(3-5)所在直线与复合图案层(3)的圆心所在水平线之间锐角夹角θ1对应于相移时双D型谐振器的旋转角度，所述天线臂(3-3)所在直线与复合图案层(3)的圆心所在水平线之间的锐角夹角θ2对应于相移时双C型谐振器的旋转角度。


4.一种针对权利要求1～3任意一条权利要求所述的双频功能性超表面的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过琼斯矩阵确定双频功能性超表面中圆偏振入射时的相位和反射系数；
S2、基于确定的相位和反射系数，通过有限元法对二氧化钒复合铝天线单元进行仿真，确定其对应的结构参数；
S3、通过太赫兹通信编码方式对采用确定结构参数的二氧化钒复合铝天线单元中的复合层图案进行编码及卷积运算，并设计出用于太赫兹光束的三种超表面；
S4、对于三种超表面，分别计算出0.52THz频点和0.98THz频点下对应天线单元的反射系数和相位，进而对三种超表面进行物理建模...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐婷婷，李馥余，梁潇，罗莉，孙萍，李朝阳，
申请(专利权)人：成都信息工程大学，
类型：发明
国别省市：四川;51