[发明专利]一种基于二氧化钒-金超表面的可控太赫兹双功能器件

说明书

本发明公开了一种基于二氧化钒‑金超表面的可控太赫兹双功能器件，涉及太赫兹超表面技术领域，本发明中当二氧化钒处于金属态时，实现了宽带吸收功能；当二氧化钒处于绝缘态时，实现透射式正交线偏振转换功能。本发明的可切换二氧化钒‑金超表面单元结构由五层结构组成，从顶层到底层依次为：第一层为二氧化钒‑金组成的封闭图案层，第二层为多晶硅介质层，第三层为二氧化钒薄膜层，第四层为多晶硅介质层，第五层为双“E”形连接金图案层。本发明将二氧化钒材料的相变特性与超表面相结合从而实现了主动控制设计的宽带吸收与透射式正交线偏振转换的双功能器件，由此可以将多种功能集中到一个超表面结构中，克服了传统超表面结构中功能单一的缺点。

技术领域

本发明涉及太赫兹超表面技术领域，更具体地说，它涉及一种基于二氧化钒-金超表面的可控太赫兹双功能器件。

背景技术

太赫兹波的工作频率在0.1-10.0THz，相应的波长为0.03mm- 3mm。太赫兹波处在微波和红外线之间的特殊位置，其既具备微波的部分优势，又具有红外电磁波的优势。近年来，太赫兹波在空间探测、光谱学、生物医学成像、安全检查、食品质量控制等领域有着广泛的应用，是目前学术界、工业界的研究热点。

超表面是超材料的二维对应，通过利用亚波长的微结构来调控电磁波的偏振、相位、振幅、频率等。在结构设计中，超表面的厚度要比电磁波的波长小得多，因此利用超表面设计的结构具有体积小、轻便的优势。在太赫兹波段基于超表面已经实现了一些典型的功能器件，如偏振器、吸收器、调制器等。由此可见，超表面的应用使得太赫兹功能器件得到了快速发展。

在太赫兹波段对功能器件的研究中，大多数太赫兹超表面器件在工作频率下只有一种特定功能，这是其最突出的缺点。针对太赫兹超表面器件的功能单一问题，研究者开始引入活性材料来实现多功能超表面器件。近年来，将超表面结构和活性材料特性相结合，设计和制造了许多新型的、多功能的光子器件，如光开关器件、多功能器件以及可切换双功能器件等。但是，超表面在太赫兹宽频段内实现太赫兹超表面吸收器与偏振器相互切换的双功能器件尚未得到充分的研究，因此，本发明旨在提供一种基于二氧化钒-金超表面的可控太赫兹双功能器件，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决前述问题，提供了一种基于二氧化钒- 金超表面的太赫兹可控双功能器件，该超表面结构在太赫兹频段实现了宽带吸收功能与透射式正交线偏振转换功能相互切换的双功能器件。

本发明的上述目的是通过以下技术方案得以实现：一种基于二氧化钒-金超表面的可控太赫兹双功能器件，所述器件设有超表面结构，所述超表面结构由多层结构组成，所述超表面结构从顶层到底层依次为封闭图案层、多晶硅介质层、二氧化钒薄膜层、多晶硅介质层和双“E”形连接金图案层。

进一步地，所述封闭图案层由二氧化钒和金组成。

进一步地，所述封闭图案层和二氧化钒薄膜层中的二氧化钒的相对介电常数用Drude模型描述为：

其中，ε_∞＝12为高频介电常数；γ＝5.75×10¹³rad/s，σ处的等离子体频率可近似的用表示，σ₀＝3×10⁵S/m，ω_p(σ₀)＝1.4×10¹⁵S/m。当电导率σ＝2×10⁵S/m时，二氧化钒处于金属态；当电导率σ＝2×10²S/m时，二氧化钒处于绝缘态。通过外部激励改变二氧化钒电导率实现二氧化钒由金属态到绝缘态可逆相变过程时，所设计的超表面器件的工作状态在宽带吸收器和透射式正交线偏振转换器之间发生功能切换。

进一步地，所述多晶硅介质层的材料的介电常数为3。

进一步地，所述封闭图案层中金的电导率为4.56×10⁷S/m。