[发明专利]一种宽频可调谐太赫兹偏振功能转换器

说明书

本发明公开了一种宽频可调谐太赫兹偏振功能转换器，包括顶层、调谐层和衬底。顶层为单元结构为L形平面超材料阵列，调谐层由单层石墨烯、绝缘层以及半导体导电层构成，衬底由电介质和金属构成。与现有文献所报道的采用石墨烯条与平面超材料所结合的太赫兹偏振功能转换器相比，本发明具有全新的工作机理和更宽的工作频带，在电压调控的便捷性和稳定性上也具有优势。本发明在太赫兹通信、成像与传感等领域具有广泛应用前景。

技术领域

本发明属于偏振器技术领域，具体涉及一种宽频可调谐太赫兹偏振功能转换器。

背景技术

太赫兹波的频率范围通常为0.1～10THz。太赫兹波技术在成像、检测、雷达、通信等领域都具有重要的应用前景。自然界中大部分的天然材料对于太赫兹波的响应较弱，不适合作为高品质的太赫兹偏振器件，而通过合理的设计人工超材料的单元尺寸和形状可以对太赫兹波产生优异的偏振调节效果。目前国内外已经有很多文献报道了基于人工超材料的太赫兹波线偏振和圆偏振调制器。与此同时，近几年国内外关于可调谐的超材料偏振调制器也有所研究，例如文献一(D.C.Wang,L.C.Zhang,Y.H.Gu,et al.SwitchableUltrathin Quarter-wave Plate in Terahertz Using Active Phase-changeMetasurface.Scientific Reports,2015,5):15020.)报道了一种与相变材料VO₂结合的超材料四分之一波片，当温度升高100K时可以实现四分之一波片的工作频率移动约0.1THz。然而传统的相变材料在安全性和集成性方面都具有明显的劣势。相比而言，石墨烯单原子层的厚度和低调谐电压与超材料结合后可以完美的解决上述问题。石墨烯作为一种新型半金属材料在太赫兹波段有很好的电磁响应和优异的电光调节性能。在太赫兹波段，石墨烯满足德鲁德自由电子气模型，具有显著的表面等离激元效应，通过电压偏置来调节石墨烯的化学势还可以实现对其表面电导率的有效调节，因此石墨烯已被广泛应用于太赫兹波的振幅、相位、偏振调制研究中。例如文献二(X.Y.Yu,X.Gao,W.Qiao,et al.BroadbandTunable Polarization Converter Realized by Graphene-Based Metamaterial.IEEEPhotonics Technology Letters,2016,21(28):2399-2402.)报道了一种与石墨烯条结合的超材料太赫兹偏振功能转换器，通过对石墨烯化学势的调节可以实现从半波片到四分之一波片功能的转换。但是美中不足的是，石墨烯条在电压调控时复杂性较高，稳定性较差，而且文献三所报道的太赫兹偏振功能转换器工作频带较窄，仅有0.1THz，还有较大的提升空间。

相比于石墨烯条，单层石墨烯在电压调控的便捷性和稳定性上具有很大的优势，然而目前所有关于石墨烯在太赫兹偏振器中的应用报道都是基于石墨烯条。其中主要原因是科研人员一直没有找到合适的超材料结构与单层石墨烯结合实现太赫兹偏振器的功能转换。

发明内容

本发明的目的在于提出一种宽频可调谐太赫兹偏振功能转换器，解决目前所报道的同类偏振功能转换器存在的电压调控复杂和工作带宽较窄的问题。

一种宽频可调谐太赫兹偏振功能转换器，所述转换器自上而下的结构包括顶层、调谐层和衬底，所述的顶层为一阵列结构，所述阵列结构由多个单元结构为L形平面超材料的阵列单元组成，所述阵列单元的尺寸为a×a，a＝5～50μm，所述超材料为Au或Ag或Cu或Pt或Al或Cr，顶层厚度为50～200nm；所述的调谐层包括三层，所述三层依次为单层石墨烯层、绝缘层以及半导体导电层，石墨烯的化学势调谐范围为0～0.9eV，绝缘层的厚度为1～4nm，所述半导体导电层的厚度为3～6nm；所述的衬底由电介质和金属膜构成，电介质的厚度为0.4a～0.8a，金属膜的厚度为100～400nm。

进一步地，所述L形图案的横向和纵向的臂长l相等，l为0.45a～0.95a，臂宽w为l/15～l/5。