【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于太赫兹功能器件，涉及一种可切换和可调谐的携带整数和分数拓扑电荷轨道角动量的太赫兹涡旋波束产生器及其制备方法。
技术介绍
1、太赫兹波通常泛指频率在0.1-10thz、波长在0.03-3mm之间的电磁辐射，位于微波和光学之间。与其它波段相比，太赫兹波具有高穿透性、高带宽性和非电离性等独特优势，使太赫兹技术在无线通信、雷达隐身和超高速计算等高新领域具有巨大的应用前景。然而，由于自然界中缺乏与太赫兹波直接作用的材料，导致太赫兹功能器件发展相对缓慢。
2、近年来，超表面由于其独特的光操控能力而引起了科学界的广泛关注。它可以调制太赫兹波的极化、相位和振幅分布，实现各种有趣的功能，例如波束偏折、透镜和涡旋产生器。携带轨道角动量(orbital angular momentum,oam)的涡旋波束因其正交传播特性成为了6g潜在的关键技术之一，有望突破信道容量极限，缓解频谱拥挤现状。然而，传统的产生涡旋光束的方法大多采用螺旋相位板、天线和天线阵，导致体积庞大、馈电网络复杂。超表面技术克服了上述限制并为oam涡旋光束产生提供了全新相位调控手段，主要有两种：其一，线极化入射下，控制亚波长单元的形状和尺寸可以得到期望的传播相位；其二，圆极化波入射下，控制亚波长单元的旋转角度可以获得2π的几何相位。当单元排列满足螺旋相位分布时，超表面在相应极化波入射下可产生携带轨道角动量的涡旋波束。然而，几何相位在正交圆极化波入射下交叉极化出射通道只能产生对称波前分布，传播相位仅能实现正交线极化波入射下的波前独立控制。为了打破几何相位和传播相
3、石墨烯和二氧化钒(vo2)是两种不同的活性材料。石墨烯是由碳原子以六边形峰窝状结构紧密排列形成的二维晶体材料，具有高载流子迁移率、高光学透明性和电可调特性，在物理、能源以及材料等领域引起了广泛关注。vo2是一种相变材料，在340k的温度作用下可以从介质态转换为金属态。基于石墨烯和vo2的可调特性，与超表面集成可实现对电磁波的动态调谐和功能重构。例如，2020年，w.lu等人将石墨烯和超表面结合，通过外部电压控制石墨烯的等效阻抗来改变石墨烯的反射相位，进而动态塑形超表面的波束；2022年，m.proffit等人基于金属-vo2-金属结构成功实现了90°范围内的连续波束扫描。然而，以往的大多数报道主要集中在单一空间(如反射空间或透射空间)中的单维参数调控(如频率、幅值、极化或相位)，限制了多任务并行处理的能力。因此，寻找一种结构简单，可选择性调控，可在单一超表面上实现能量可调谐和全空间极化复用的涡旋波束产生器正是本专利技术需要急需解决的问题。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是为了解决现有太赫兹超表面器件存在功能单一、信息传输容量低、频谱拥挤以及应用范围窄的问题，依托于集成石墨烯和vo2的双调控超表面，结合自旋解耦调控技术，从而提供一种基于石墨烯和二氧化钒的可调控极化复用太赫兹涡旋波束产生器及其制备方法。
2、基于石墨烯和二氧化钒的可调控极化复用太赫兹涡旋波束产生器，包括m×n个周期性排布的相位突变单元，且m和n均为正整数；
3、每个相位突变单元均为具有双折射特性的单元结构，由上至下依次由十字石墨烯谐振器1、介质层i2、二氧化钒有源层3、矩形金属贴片i4、介质层ii5、圆形缝隙金属层6、介质层iii7和矩形金属贴片ii8组成；
4、所述的十字石墨烯谐振器1的宽度为3.8～4.2μm，臂长分别为rx和ry；所述的介质层i2、介质层ii5和介质层iii7均由聚酰亚胺制成；所述的二氧化钒有源层3的厚度为190nm～210nm；所述的矩形金属贴片i4和矩形金属贴片ii8的长和宽分别为tx和ty；所述的圆形缝隙金属层6的镂空半径为5.4～5.6μm。
5、基于石墨烯和二氧化钒的可调控极化复用太赫兹涡旋波束产生器的制备方法，按以下步骤进行：
6、步骤一：按照每个相位突变单元由上至下依次为十字石墨烯谐振器1、介质层i2、二氧化钒有源层3、矩形金属贴片i4、介质层ii5、圆形缝隙金属层6、介质层iii7和矩形金属贴片ii8，以及所述的十字石墨烯谐振器1的宽度为3.8～4.2μm、臂长分别为rx和ry，所述的二氧化钒有源层3的厚度为190nm～210nm，所述的矩形金属贴片i4和矩形金属贴片ii8的长和宽分别为tx和ty，所述的圆形缝隙金属层6的镂空半径为5.4～5.6μm，依次对m×n个相位突变单元进行建模仿真；
7、步骤二：根据自旋解耦理论，推导圆极化去耦公式；将预设的功能相位剖面带入圆极化去耦公式，得到每个相位突变单元所需的传播相位和几何相位要求；然后调节单元参数tx、ty、rx和ry和旋转角度θt和θr，确定符合传播相位和几何相位要求的所有相位突变单元；再利用vba语言按照圆极化去耦方法所计算相位分布进行阵列建模，仿真阵列特性；
8、步骤三：按照步骤二中得到的阵列，采用微电子工艺进行超表面制备。
9、本专利技术的有益效果：
10、1、至今，大部分太赫兹超表面都是静态的，制备完成后具有固定的电磁响应，难以实现功能的实时调控。其次，虽然通过在超表面上集成各种活性材料的有源超表面已经取得了一些进展，如液晶材料、二氧化钒等相变材料、光敏硅和石墨烯等二维材料。但是，以往的大多数超表面主要集中在单一空间(如反射空间或透射空间)中的单维参数调控(如频率、幅值、极化或相位)，而在单一超表面上实现全空间可调谐和可重构的报道几乎没有，难以满足日渐复杂的应用环境。为了克服上述限制，本专利技术在超表面中集成石墨烯和vo2两种活性材料以电-热双调控的方法，进而改变超表面的电磁响应，在单一超表面中实现功能的可调谐和可重构，解决传统超表面器件调谐深度小和重构功能少的缺点。
11、2、本专利技术所述双调控超表面可以独立实现对石墨烯和vo2的控制。通过在石墨烯顶部旋涂离子凝胶，金属栅极和石墨烯表面之间可形成具有高电容的透明间隔层，电掺杂便可增大石墨烯电导率；通过温控vo2，可使其从介质态转换为金属态，电导率提高几个数量级，实现透射模式和反射模式的灵活切换。此外，电控石墨烯和温控vo2几乎没有串扰效应。
12、3、本专利技术在双调控超表面的基础上，结合自旋解耦技术，可实现多功能集成。当无外部激励时该结构可以工作于透射模式，在旋转矩形金属贴片赋予几何相位的基础上改变矩形双折射单元的尺寸参数以引入传播相位，可修正几何相位的耦合中心从而实现透射交叉极化去耦调控；当电掺杂石墨烯和热切换vo2可以工作于反射模式，在旋转十字石墨烯谐振器以赋予几何相位的基础上改变十字双本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于石墨烯和二氧化钒的可调控极化复用太赫兹涡旋波束产生器，其特征在于它包括m×n个周期性排布的相位突变单元，且m和n均为正整数；
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯和二氧化钒的可调控极化复用太赫兹涡旋波束产生器，其特征在于每个相位突变单元均为正方形，周期为30μm，厚度为10μm。
3.根据权利要求1所述的基于石墨烯和二氧化钒的可调控极化复用太赫兹涡旋波束产生器，其特征在于所述的矩形金属贴片I(4)、圆形缝隙金属层(6)和矩形金属贴片II(8)均由Au、Cu或Al制成。
4.根据权利要求1所述的基于石墨烯和二氧化钒的可调控极化复用太赫兹涡旋波束产生器，其特征在于m和n均为21，可调控极化复用太赫兹涡旋波束产生器的尺寸为630μm×630μm。
5.如权利要求1-4任意一项所述的基于石墨烯和二氧化钒的可调控极化复用太赫兹涡旋波束产生器的制备方法，其特征在于该制备方法按以下步骤进行：
6.根据权利要求5所述的基于石墨烯和二氧化钒的可调控极化复用太赫兹涡旋波束产生器的制备方法，其特征在于步骤三中的制备方法如下：
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