一种可重构的超快太赫兹多功能自由切换波片制造技术

技术编号：42645219 阅读：35 留言：0更新日期：2024-09-06 01:40

本发明专利技术提出了一种可重构的超快太赫兹多功能自由切换波片，可实现超快可重构自由切换波片功能。在0.71THz频率下，通过VO<subgt;2</subgt;的光诱导相变和Ge薄膜的“桥连”的双重调控，能够灵活地从四分之一波片(QWP)转换到半波片(HWP)，再进一步实现全波片(FWP)功能，当外加泵浦光撤离后能实现可逆过程。这种设计不仅增强了器件的功能性，还提高了其响应速度和精确性。动态调控能力开辟了高性能光学元件设计的新领域，尤其在需要快速和精确光学调制的动态光学系统、实时成像技术和高精度传感应用中显示出巨大的潜力。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及太赫兹波段超表面功能器件领域，尤其涉及一种结合薄膜ge-金属vo2的超表面混合器件。

技术介绍

1、太赫兹波是频率在0.1至10thz范围内的电磁波，在检测、通信和成像技术等领域具有巨大应用潜力。波片是调制入射光偏振态的重要工具，波片作为一种常用的无源器件，可以控制和改变偏振态。例如，半波片(hwp)通常用于将线偏振波转换为其正交的线偏振波，或者将圆偏振波从一种旋向性转换为另一种旋向性；四分之一波片(qwp)则用于在线性偏振波与圆形或椭圆偏振波之间的转换。电磁波的偏振状态操控在基础物理学及传感、成像和通信等应用中极为重要。波片的传统制造通常依赖于天然的双折射材料或亚波长光栅，但这些材料的双折射系数限制了波片的厚度和相位差累积，导致体积大和损耗高。

2、近年来，超表面因其紧凑、灵活、宽带宽和易于集成的优点，被广泛用于调整光的偏振状态。因此，一系列基于超表面的半波片和四分之一波片已被提出为了实现偏振态调控。例如，weis等人通过切割线对的强双折射改变两个正交偏振态的折射率符号，实现了qwp和hwp功能。yu等人在2012年展示了一种基于超表面的光学薄qwp，grady等人在2013年提出了由金属切割线阵列组成的hwp。xia等人在2017年提出了反射模式下基于各向异性结构的超表面hwp。除此之外，还有许多用于实现宽带太赫兹hwps或qwps的各种平面结构或多层结构。然而，这些基于超表面的波片对thz波的电磁响应都是被动的，一旦加工完成，就无法对thz波进行动态调控，这在实际应用中形成了一定的限制。

<p>3、因此，在超表面发展的早期阶段，研究者们已开始致力于开发可灵活调控的超表面波片，通过整合活性材料如石墨烯、二氧化钒(vo2)或ge2sb2te5(gst)等，以实现波片的主动调控功能。例如，h.park等人通过将图案化的单层和双层石墨烯集成到其他各向同性的超表面中，成功实现了通过电控制太赫兹波的相位延迟，从而提出了可调谐的四分之一波片。但该实验样品制备过程复杂，成功率低。zhang等人则提出了一种基于双层石墨烯结构的可开关式波片，通过改变施加于石墨烯的电压来控制其费米能级，使该波片能够在宽带多频段实现四分之一波片的开关功能。此外，ge2sb2te5也被应用于超表面波片中，li等人展示了该材料在10.3-10.9μm波段内可以从qwp转换为hwp，相对带宽达到6％。bai等人展示了一种基于ge2sb2te5的超材料器件，该器件通过热激活诱导的结晶过程，能在0.85-1.92thz范围内实现交叉极化转换(hwp)，以及在0.85-1.42thz范围内实现圆-线性极化转换(qwp)。然而，这种结构相对复杂，温度响应速度较慢，因此luo等人提出了一种基于vo2-金属混合的超表面，通过调节vo2的电导率变化三个数量级，实现了从过阻尼到欠阻尼谐振的过渡，从而在宽带范围内高效地实现了动态可切换的hwp/qwp，但这些动态偏振调控只能局限于四分之一波片和半波片之间的单一转换。wang等人则通过改变超表面中二氧化钒的相位从绝缘状态到导电状态，证明了一种可调谐的qwp，其工作频率可从0.47thz调整到0.50thz。总的来说，这些基于超表面的波片功能过于单一，大多是实现波片的开关功能或超表面功能于四/二分之一波片之间转换，无法实现波片在全波片、四分之一、二分之一之间多功能自由切换。

技术实现思路

1、本专利技术旨在解决以上现有技术的问题，提供一种结合金属二氧化钒(vo2)和半导体非晶锗薄膜(ge)的超表面混合器件，实现了可重构的超快太赫兹多功能自由切换波片，通过控制外加泵浦光实现qwp、hwp、fwp三种波片功能之间两两切换。

2、本专利技术涉及一种可重构的超快太赫兹多功能自由切换波片，包括薄膜ge-金属vo2超表面的单元结构，从底部到顶部，该结构依次包括：反射板金薄膜、介质层薄膜、非晶锗薄膜以及其上的顶部金属超表面结构；顶部金属超表面结构包含了四个斜45°对称排列的小方形环形谐振器，小方形环形谐振器通过两个二氧化钒岛桥接，组成了两个沿x轴方向斜45°对称的大方形环谐振器。

3、金属超表面结构可以选用金，银，铜，铝等材料，太赫兹波段这些金属的电导率为同一个数量级,只有数值上的区别，会引起工作频率的改变，但并不影响结果；介质层起分隔与支撑作用，其材料可以选用聚合物材料，包括烯烃共聚物coc,或太赫兹常见的pi、bcb、聚乙烯、聚丙烯和聚四氟乙烯等聚合物；大分裂环形谐振器的结构可以方形开口谐振结构或圆形开口谐振结构；本专利技术设计的多功能波片利用了vo2和锗对脉冲激光和连续激光的不同响应，可以扩展到所有对脉冲激光和连续激光有不同响应的材料组合，如石墨烯，钙钛矿，半导体硅，gst，mote2等材料。

4、在该超表面单元结构中，大方形环形谐振器为方形开口谐振结构，反射板金薄膜和顶部金属谐振器的厚度均为0.2μm，coc薄膜的厚度为40μm，金属二氧化钒岛的厚度为0.8μm。小方形环形谐振器为u形，长度为75μm，线宽为10μm，非晶锗薄膜的厚度为0.3μm。单元结构在x和y方向的周期为p＝250μm。谐振器的长度l1为169μm，宽度l2为124μm，线宽w为10μm。填充的vo2岛的长度为g＝19μm，而两个大srr之间的间距s为24μm。

5、通过本专利技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

6、1、本方案方法简便，无需制备多个超表面样品，主动调控过程中金属vo2和ge薄膜的双重控制分别由连续光和脉冲光控制，具有高度的操作灵活性。

7、2、本工作提出的超表面光电混合器件首次实现了四分之一波片、半波片、全波片三种波片的功能两两切换，相比于其他工作，扩展了此类器件在传感、通信、成像方面的应用。

8、3、本工作提出的四分之一波片的椭圆度χ>0.99，半波片的极化转换率pcr>0.99，全波片的椭圆度χ和极化转换率pcr均为0，相比于传统方法效果得到了极大的提高。

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【技术保护点】

1.一种可重构的超快太赫兹多功能自由切换波片，其特征在于：包括薄膜Ge-金属VO2超表面的单元结构，从底部到顶部，该结构依次包括：反射板金薄膜、介质层聚合物薄膜、非晶锗薄膜以及其上的顶部金属超表面结构；顶部金属超表面结构包含了四个斜45°对称排列的小方形环形谐振器，小方形环形谐振器通过两个二氧化钒岛桥接，组成了两个沿x轴方向斜45°对称的大分裂环形谐振器。

2.如权利要求1所述的一种可重构的超快太赫兹多功能自由切换波片，其特征在于：所述金属超表面结构为金，银，铜，铝之一。

3.如权利要求1所述的一种可重构的超快太赫兹多功能自由切换波片，其特征在于：所述介质层的材料可以为烯烃共聚物COC、PI、BCB、聚乙烯、聚丙烯或聚四氟乙烯。

4.如权利要求1所述的一种可重构的超快太赫兹多功能自由切换波片，其特征在于：所述大分裂环形谐振器的结构可以为方形开口谐振结构或圆形开口谐振结构。

5.如权利要求4所述的一种可重构的超快太赫兹多功能自由切换波片，其特征在于：所述小分裂环形谐振器为U形，长度为75μm，线宽为10μm，所述非晶锗薄膜的厚度为0.

6.如权利要求5所述的一种可重构的超快太赫兹多功能自由切换波片，其特征在于：所述反射板金属薄膜的厚度为0.2μm。

7.如权利要求5所述的一种可重构的超快太赫兹多功能自由切换波片，其特征在于：所述顶部金属超表面结构的厚度为0.2μm。

8.如权利要求5所述的一种可重构的超快太赫兹多功能自由切换波片，其特征在于：所述介质层聚合物薄膜的厚度为40μm。

9.如权利要求5所述的一种可重构的超快太赫兹多功能自由切换波片，其特征在于：所述单元结构在x和y方向的周期为p＝250μm。

10.如权利要求5所述的一种可重构的超快太赫兹多功能自由切换波片，其特征在于：所述大分裂环形谐振器长度为169μm，两个所述大分裂环形谐振器之间的间距为24μm，两个所述大分裂环形谐振器的总宽度为124μm。

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【技术特征摘要】

1.一种可重构的超快太赫兹多功能自由切换波片，其特征在于：包括薄膜ge-金属vo2超表面的单元结构，从底部到顶部，该结构依次包括：反射板金薄膜、介质层聚合物薄膜、非晶锗薄膜以及其上的顶部金属超表面结构；顶部金属超表面结构包含了四个斜45°对称排列的小方形环形谐振器，小方形环形谐振器通过两个二氧化钒岛桥接，组成了两个沿x轴方向斜45°对称的大分裂环形谐振器。

2.如权利要求1所述的一种可重构的超快太赫兹多功能自由切换波片，其特征在于：所述金属超表面结构为金，银，铜，铝之一。

3.如权利要求1所述的一种可重构的超快太赫兹多功能自由切换波片，其特征在于：所述介质层的材料可以为烯烃共聚物coc、pi、bcb、聚乙烯、聚丙烯或聚四氟乙烯。

5.如权利要求4所述的一种可重构的超快太赫兹多功能自由切换波片...

【专利技术属性】
技术研发人员：阳权龙，巴灵丽，豆亚鹏，阳军亮，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：

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