[发明专利]一种由电磁特异表面构成的宽频THz波片

说明书

技术领域

本发明属于电磁波偏振调控技术领域，具体涉及反射型超宽带太赫兹波片。

背景技术

信息技术的发展，使得人类对于信息载体（电磁波）的调控有了越来越广泛的应用。而对于电磁波的很多新型应用，比如亚波长成像，负折射，全吸收，场增强，传统材料越来越难以达到要求。基于这种原因，科学家开始构建一种新型的人工复合结构和复合媒质，我们称之为“电磁特异介质”，其具有天然媒质所不具备的超常物理性质，且可以容易的通过人工调制。而本发明中运用到的正是这样的“电磁特异介质”。简单的说，常规材料是由其分子或原子构成的，而分子和原子对外界电磁波的响应决定了这个材料的电磁性质，而特异介质通过构造共振结构产生人工的电磁分子原子，以之构成材料的单元结构，由于人工共振结构单元的可控性，这样的材料便能依据需求设计出不同的性质。

“电磁特异表面”为一种常用的特异介质，一般通过层状特异结构堆叠构成。由于多层之间的相互作用，从而产生强烈的磁共振，通过调控参数可以使得在共振点附近产生强烈的相位变化或者吸收，在相位调控或者吸收中有很广泛的应用。

另一方面，人们知道传统意义上的波片一般由各向异性材料如双折射晶体构成，在不同偏振方向上的分量具有不同的折射率，从而可以通过结构的尺寸调控出射波中的不同偏振分量的相位变化，达到对总的出射电磁波的偏振调控。此外，由于传统的计划调控通过对介质内部传播相位的调控来实现，对于不同的频率，对于自然材料，很难做到折射率的差值和频率变化恰好匹配，因而一般来说，传统的波片一般为单频或者窄频。

 对于由“特异介质”构成的材料，尤其是“电磁特异表面”，很容易能在很薄的空间尺度上通过共振产生强烈的相位变化，且对于不同的“晶向”上其调控几乎不相关。这样，通过各向异性的结构设计，控制不同“晶向”上的共振频率和品质因子，可以容易的实现在超宽频段内对于不同偏振方向的相位调控，达到超宽频的90度极化偏转或线偏振到圆偏振的转变。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在超宽频带范围内效率高、反射波能量损失很小的宽频THz波片。

本发明提供的宽频THz波片，采用“电磁特异表面”，具体结构组成由下到上依次为：衬底，金属层，介质层，表面为周期分布的十字型结构层，层与层之间直接堆叠；其中，十字型结构层中，组成十字形的两根主轴，其长度和宽度可以分别调控共振频率和品质因子；金属层作为作为结构层或者反射层，其厚度为30nm~100nm；介质层厚度大于金属层厚度，可用于降低共振品质因子，提高带宽。

本发明中，根据频率和带宽的设计要求，通过调控十字型结构的两根轴的长度和宽度以及介质层厚度，得到在带宽范围内最接近设计要求几何结构参数；假设波片为xy平面，平面电磁波从垂直于xy平面的z方向入射，那么调整几何结构参数的原则如下：

（1）确定十字型结构的周期和介质层厚度：对于1/2波片和1/4波片两种设计，取介质层厚度为50-70um，周期为140-160um；优选介质层厚度为60um，周期为150um；

（2）确定十字型结构的长度、宽度：设十字型结构的单根轴,长度方向与偏振方向平行，测试十字型结构不同长度、宽度参数下的反射共振频率与品质因子，对结果进行比较，找到在带宽范围内最接近设计要求相位差与反射率比例的一组参数；然后微调，消除相互间影响造成的偏差，找到在宽带范围内平均效率最优设计参数。对于1/2波片，其十字结构的两根主轴长度分别为130-150um和30-50um，宽度为20-40um，优选为135um和35um，宽度为25um；对于1/4波片，其十字结构的两根主轴长度分别为100-120um和50-70um，宽度为20-40um，优选110um和55um，宽度为30um。

本发明中，所述衬底采用硅片或二氧化硅片。

本发明中，所述金属层材料为金，也可为其他金属，如银，铜等。

本发明中，所述介质层材料为聚酰亚胺树脂薄膜。

本发明中，所述十字型结构层材料为金，也可为其他金属，如银，铜等。