[发明专利]一种用于极化转换和波前调控的THz宽带可切换超表面

说明书

一种用于极化转换和波前调控的THz宽带可切换超表面。该超表面由六层组成，从底层到顶层依次为：第一层为金属层，第二层为介质层，第三层为金属谐振结构，第四层为二氧化钒薄膜，第五层为与第二层相同的介质层，第六层为二氧化钒谐振结构。当二氧化钒为金属态时，二氧化钒薄膜层‑介质层‑二氧化钒谐振结构可形成类法布里‑珀罗腔，实现THz波极化转换。当二氧化钒为绝缘态时，金属层‑介质层‑金属谐振结构可激发电谐振和磁谐振，从而通过改变金属谐振结构的几何参数可得到多个不同相位的单元结构，再通过对相位分布进行排列，实现在宽带范围内的波前调控。两种功能的切换可通过光、电压或温度调控二氧化钒的电导率实现。

技术领域

本发明属于太赫兹超表面设计技术领域，具体涉及一种用于极化转换和波前调控的THz宽带可切换超表面。

背景技术

太赫兹(THz)波对应的波长范围为0.03～3mm，具有强穿透性、瞬态性、安全性和指纹谱性等特点，因而在介质检测、医学组织成像以及生化检测与识别等领域具有巨大的应用前景。但也正是由于THz波的特殊性，传统的电子和光子设备在THz波段内无法产生电磁响应，导致各种THz功能器件的研究严重滞后。值得庆幸的是，由亚波长单元结构按照周期或非周期排列组成的二维人工超表面可构筑任意的电导率和磁导率的介质，实现自然界中不存在的电磁特性，从而为THz器件的发展和应用提供了可行性。大量基于超表面的THz器件被广泛研究和提出，如贝塞尔波束发生器、THz吸波器、THz聚焦透镜和THz分束器等。

近年来，随着集成系统和智能控制技术的发展，具有可切换多功能的THz器件成为了新的研究热点。在微波波段，为实现可切换多功能，研究者们通常将针管二极管和电容二极管加入到超表面的设计中。然而，由于加工上的限制，该方法无法在THz波段或光波段实现。一种可替代的方法是，将可调材料(如Ge₂Sb₂Te₅(GST)、液晶、二氧化钒(VO₂)和石墨烯等)结合到超表面中，通过外部激励的方式实现可切换多功能超表面。在这些可调材料中，VO₂具有相变响应速度快、电导率变化范围广、制备简单和控制方法多样等突出优点，在可切换多功能超表面的设计中应用广泛。目前，人们提出了许多基于VO₂的THz可切换超表面，但这些超表面仍然存在带宽窄和灵活性差等缺点。因此，有必要对THz宽带可切换超表面进一步的探索。

发明内容

本发明设计了一种用于极化转换和波前调控的THz宽带可切换超表面，可在宽带范围内实现极化转换功能和波前调控功能之间的相互切换。

本发明采用的技术方案是，设计了一种用于极化转换和波前调控的THz宽带可切换超表面。该超表面的单元结构由六层组成，从底层到顶层依次为：第一层为金属层，第二层为介质层，第三层为金属谐振结构，第四层是VO₂薄膜层，第五层为与第二层相同的介质层，第六层为VO₂谐振结构；该VO₂谐振结构为长方形，且其与单位结构边沿呈45°角。

其中，所述VO₂谐振结构单元可以但不限于是长方形。

其中，所述介质层的材料可以是介电常数小于2.5的介质，如氟化镁(MgF₂)，但不限于是MgF₂。

其中，所述VO₂谐振结构的外部激励可为光、温度或电压。

进一步地，VO₂的介电常数在THz波段可由Drude模型描述为：

式中，ε_{∞＝12和γ＝5.75×10}¹³rad/s分别为高频介电常数和振荡频率。等离子频率ω_p与电导率σ的关系为：