一种分束比可调的太赫兹分束器及其制造工艺制造技术

本发明专利技术请求保护一种分束比可调的太赫兹分束器，其由超级单元陈列排列而成，超级单元由8*8个基础单元组成，其中4个基础单元按照相位差左右对称排布，每个基础单元包括介质层、开口圆环型金属图案层及金属反射层，所述开口圆环型金属图案层位于介质层上面，所述金属反射层位于介质层下方，其中金属反射层覆盖了一半介质层；金属反射层只覆盖位于对称轴左边的基础单元；超表面分束器的4种基础单元之间的相位差在0.7THz时为90

【技术实现步骤摘要】
一种分束比可调的太赫兹分束器及其制造工艺


[0001]本专利技术属于太赫兹分束器技术，具体属于一种分束比可调的太赫兹分束器及其制造工艺。

技术介绍

[0002]太赫兹(Terahertz，THz)波是指频率范围在0.1～10THz的电磁波。太赫兹的长波段与微波相重合，短波段与红外波相重合，与其它波段的电磁波相比，太赫兹因其位置的特殊性，在生物医学、无损检测和通信应用等领域都有着广阔的应用前景。
[0003]超表面作为超材料的二维等价物是一种周期性的亚波长人工电磁介质，因其具有负折射率、类电磁诱导透明效应和非线性效应等，在太赫兹分束器件上有着广泛的应用。2017年，S.L.L.Wendy等人提出了一款超薄的圆极化太赫兹分束器，其超表面单元为同轴开口环谐振器，当圆极化波垂直入射时，反射波被分为左旋圆极化波和右旋圆极化波两束波，在0.58～1.00THz时实现圆极化波的两分束，分束比为1:1。2022年，Zhang Changchang等人提出了一种由单层铜结构组成的周期性金属表面，可以在0.8～1.1THz下实现太赫兹波的两分束，该分束器的分束比为1:1。随着对分束器的研究，单一分束比的分束器已经不能满足很多应用场景，故研究方向逐渐向分束比可调谐的分束器方向发展。2022年，Yin S等人设计了一种基于开口圆环阵列的有源太赫兹分束器件，通过利用泵浦光照射超表面阵列来控制超表面阵列对太赫兹波的反射和吸收来控制y极化波的分束比，分束比可以从1:1到15:1变化。上述太赫兹分束器都实现了较好的分束效果，但是只能实现单一的分束比，且一旦制作出来其分束比便固定，而分束比可调谐的分束器，其为有源器件，成本比较高，限制了其在赫兹通信的多信号传输、成像和隐身等方面的应用。
[0004]CN201910348908.4一种太赫兹超材料分束器，其单元结构是由顶层金属条带、中间介质层、底层金属板组成。利用4个旋转步进为45
°
的单元，周期排列构成了4
×
4的相位梯度超表面。当太赫兹波垂直入射到阵列表面时，电磁波被反射成四束能量相等但传播方向不同的波，并且不同频点的反射角不同。该分束器具有体积小、成本低的优点，可应用于太赫兹隐身和太赫兹成像等方面
[0005]第一，该专利的入射电磁波的分束比为1:1，而本文提出的结构电磁波向
‑
z轴方向入射时的分束比为1.2:1和电磁波向+z轴方向入射时的分束比为1.9:1，电磁波入射时产生的分束的能量并不相等。第二，该专利为无源器件，制作出来后其分束比便不能够改变，而本文提出的结构同样为无源器件，但可以通过不同的方向来入射电磁波产生不同的分束比，本文可以实现两种不同的分束比。

技术实现思路

[0006]本专利技术旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种分束比可调的太赫兹分束器及制造工艺。本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种分束比可调的太赫兹分束器，其由超级单元陈列排列而成，超级单元由8*8个
基础单元组成，其中4个基础单元按照相位差左右对称排布，通过改变开口圆环型金属图案的内径和开口大小形成4种基础单元，每个基础单元包括介质层、开口圆环型金属图案层及金属反射层，所述开口圆环型金属图案层位于介质层上面，所述金属反射层位于介质层下方，其中金属反射层覆盖了一半介质层；金属反射层只覆盖位于对称轴左边的基础单元；超表面分束器的4种基础单元之间的相位差在0.7THz时为90
°
，当太赫兹波沿
‑
z轴方向垂直入射时，通过观察仿真软件中的远场图得到在0.7THz时得到四分束，分束比为1.2:1，当太赫兹波沿+z轴方向垂直入射时，通过观察仿真软件中的远场图得到在0.7THz时得到四分束，分束比为1.9:1。
[0008]进一步的，所述介质层为聚酰亚胺，介电常数为3.5，厚度d＝50μm，尺寸为P＝125μm*125μm。
[0009]进一步的，所述所述金属图案层，材料为金，厚度为0.2μm，电导率为4.561
×
107S/m。
[0010]进一步的，所述的金属反射层，材料为金，厚度为0.2μm，电导率为4.561
×
107S/m。
[0011]进一步的，所述的金属图案层，具体尺寸分别为：开口圆环内径h1＝57.5μm，圆环开口大小g＝10.0μm，介质层厚度d＝50.0μm，通过改变h1、g来构造其余的基础单元，其余3个基础单元的参数为：h1＝52.0μm、30.0μm、43.75μm，g＝10.0μm、25.0μm、10.0μm。
[0012]进一步的，所述分束器的广义斯奈尔反射定理为分束器的广义斯奈尔折射定理为其中，θ
r
和θ
i
表示反射角和入射角，n
t
和n
i
表示入射媒质和出射媒质的折射率，λ0表示入射波的波长，界面上的相位变化梯度dΦ/dx。
[0013]进一步的，利要求1所述的分束比可调的太赫兹分束器，其特征在于，所述超表面分束器的结构单元周期P＝120μm*120μm～130μm*130μm，上面的4种开口圆环型基础单元参数通过改变圆环内径h1＝20～60μm和圆环开口大小g＝10～50μm的大小来实现。
[0014]一种基于任一项所述分束比可调的太赫兹分束器的制造工艺，其包括以下工艺：
[0015]第一步：设计4种基础单元结构并将之布置成超级单元；表面图案层采用经典各向异性开口圆环型结构，能够使太赫兹波入射时x轴方向上产生满足90
°
的相位差条件，在y轴方向上没有相位差；图案层采用开口圆环型结构和改变圆环的内径和开口大小的参数相结合产生相位差的方案实现了超级单元的布置和分束比的可调谐；
[0016]第二步：光刻掩模版清洗；将光刻掩模版放入含有丙酮的超声清洗仪中清洗，去除表面杂质，然后将其放入无水乙醇中浸泡，使用去离子水清洗掩模版，最后用氮气枪吹干；
[0017]第三步：基片清洗；事先用丙酮和酒精把聚酰亚胺基片清洗干净，并要使衬底聚酰亚胺表面保持干燥；
[0018]第四步：聚酰亚胺薄膜镀金；利用磁控溅射机FHR将厚度为200nm的金和10nm的钛镀在聚酰亚胺膜的两侧，加入钛是为了增加金属与聚酰亚胺之间的粘附性；
[0019]第五步：涂胶与前烘；将样品放置于匀胶机上进行匀胶，然后对匀胶后的样品进行前烘；
[0020]第六步：曝光显影；利用光刻机对样品进行曝光光刻，然后使用显影液对样品进行
显影；
[0021]第七步：刻蚀；利用离子束刻蚀机对超表面顶层和底层金属进行刻蚀；
[0022]第八步：去胶；将刻蚀完后的样品至于丙酮溶液中浸泡，然后使用等离子去胶机去除样品表面的光刻机，最后使用去离子水清洗样品并风干。
[0023]本专利技术的优点及有益效果如下：
[0024](1)本专利技术提出一个由4种开口圆环型的基础单元组成阵列的简单结构，为加工提供了便利。(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种分束比可调的太赫兹分束器，其特征在于，由超级单元陈列排列而成，超级单元由8*8个基础单元组成，其中4个基础单元按照相位差左右对称排布，通过改变开口圆环型金属图案的内径和开口大小形成4种基础单元，每个基础单元包括介质层、开口圆环型金属图案层及金属反射层，所述开口圆环型金属图案层位于介质层上面，所述金属反射层位于介质层下方，其中金属反射层覆盖了一半介质层；金属反射层只覆盖位于对称轴左边的基础单元；超表面分束器的4种基础单元之间的相位差在0.7THz时为90
°
，当太赫兹波沿
‑
z轴方向垂直入射时，通过观察仿真软件中的远场图得到在0.7THz时得到四分束，分束比为1.2:1，当太赫兹波沿+z轴方向垂直入射时，通过观察仿真软件中的远场图得到在0.7THz时得到四分束，分束比为1.9:1。2.根据权利要求1所述的分束比可调的太赫兹分束器，其特征在于，所述介质层为聚酰亚胺，介电常数为3.5，厚度d＝50μm，尺寸为P＝125μm*125μm。3.根据权利要求1所述的分束比可调的太赫兹分束器，其特征在于，所述所述金属图案层，材料为金，厚度为0.2μm，电导率为4.561
×
107S/m。4.根据权利要求1所述的分束比可调的太赫兹分束器，其特征在于，所述的金属反射层，材料为金，厚度为0.2μm，电导率为4.561
×
107S/m。5.根据权利要求1所述的分束比可调的太赫兹分束器，其特征在于，所述的金属图案层，具体尺寸分别为：开口圆环内径h1＝57.5μm，圆环开口大小g＝10.0μm，介质层厚度d＝50.0μm，通过改变h1、g来构造其余的基础单元，其余3个基础单元的参数为：h1＝52.0μm、30.0μm、43.75μm，g＝10.0μm、25.0μm、10.0μm。6.根据权利要求1所述的分束比可调的太赫兹分束器，其特征在于，所述分束器的广义斯奈尔反射定理为分束器的广义斯奈尔折射定...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘武，朱子恒，胡圣健，谭明森，陈鑫，徐应松，盛宏远，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：