一种基于几何相位的高透射型太赫兹编码超表面设计方法

摘要

本发明公开了一种基于几何相位的高透射型太赫兹编码超表面设计方法，属于太赫兹电磁波相位调控领域。本发明所设计的超表面单元包括三层结构，即顶层和底层的金属结构形状、大小一致，中间为聚酰亚胺介质层；对x和y方向的线极化波垂直入射到单元结构进行模拟得到共极化透射系数和相位，以确定单元结构的工作频点；利用几何相位原理，在工作频点处，圆极化波入射条件下，通过旋转单元结构得到对应的交叉极化透射系数和相位；通过对单元结构进行旋转编码，按照不同的周期性排布，能够形成用以产生不同异常折射现象的编码超表面。本发明与同类超表面单元结构相比具有更高的透过率，高达90％以上，在激光雷达和太赫兹相位调控领域具有潜在应用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及太赫兹电磁波相位调控领域，具体涉及一种基于几何相位的高透射型太赫兹编码超表面设计方法。

背景技术

太赫兹(terahertz，THz)电磁波是指频率在0.1-10THz之间，介于微波与红外光波之间的电磁波。因其特殊的频谱位置太赫兹波具有穿透性强、分辨率高、对生物组织的非破坏性等优点，在无损检测、高分辨率成像、激光雷达、医学等领域具有广泛的应用前景。超材料具有自然界传统材料所不具备的超常物理特性，能够对电磁波的振幅、相位和极化等性质进行调控，超表面可以看作是由亚波长超材料单元结构周期性或非周期性拓展组成的二维平面形式的超材料，具有厚度薄、低损耗、加工难度小等优势，有利于太赫兹功能器件的小型化和集成化，因此，超表面在越来越多的领域有着重要的作用。目前大多数超表面单元结构设计主要集中在反射型，而对于透射型的超表面单元结构设计较少。但反射型的超表面容易受到馈源的遮挡，不利于实际应用，而透射型的超表面单元结构大多数透射率较低，工作效率低下。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于几何相位的高透射型太赫兹编码超表面设计方法，包括以下步骤：

步骤1：构建超表面单元结构，顶层和底层为形状以及大小一致的金属结构层，中间层为聚酰亚胺介质层；

步骤2：对x和y方向的线极化波垂直入射到单元结构进行模拟得到共极化透射系数和相位，以确定单元结构的工作频点；

步骤3：利用几何相位原理，对单元结构进行旋转编码，在工作频点处，圆极化波入射条件下，通过旋转单元结构得到对应的交叉极化透射系数和相位；

步骤4：将旋转编码后的单元结构，按照不同的周期性排布，形成用以产生不同异常折射现象的编码超表面。

步骤1中所述聚酰亚胺介质层厚度h＝60um，金属结构的厚度为0.2um，金属结构由缺口圆环和内部的矩形组成，矩形长为29um，宽为18um，缺口圆环的外半径r

步骤2中从z方向分别对超表面单元结构入射x和y方向的线极化波，透射波与入射波极化方向相同，则被称为共极化系数，通过几何相位理论分析，在工作频点处需满足：|t

步骤3中利用几何相位原理，对单元结构进行旋转编码，以22.5°为旋转角步长，把单元结构分为8种编码粒子，即将旋转角度α

步骤4中将8种编码粒子按照编码序列沿x方向周期排列，y方向是相同的编码粒子排列，构建24×24个单元结构组成的编码超表面。基于这8个编码粒子在x方向上形成不同的相位梯度，在xoy面能够观察到不同的异常折射现象，当入射波为左旋圆极化波时，记为“+”，当入射波为右旋圆极化波时记为“-”。其中，编码序列可采用(编码0，编码1，编码2，编码3，编码4，编码5，编码6，编码7)或者(编码0，编码0，编码0，编码2，编码2，编码2，编码4，编码4，编码4，编码6，编码6，编码6)。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明设计的超表面单元结构基于几何相位原理调控，仅通过旋转单元结构就能够实现对透射交叉极化波0-2π范围内的相位调控。

2、本发明设计的超表面单元结构由顶层和底层的贵金属结构以及中间的聚酰亚胺介质层构成，其中顶层和底层的金属结构都是由缺口圆环和矩形组成，结构简单，有利于加工与集成。

3、本发明设计的超表面单元结构是透射型的，且与同类超表面单元结构相比透射率高，透射率超过90％，提高了超表面工作效率。

4、本发明设计的超表面单元结构通过改变编码序列，相应的改变编码超表面的相位梯度，沿着z方向，在同一个入射频率下，可以实现异常折射角的不同。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是本发明的超表面单元结构的三维结构示意图。

图2是本发明的超表面单元结构的俯视图。

图3a是本发明的超表面单元结构在0.5-0.9THz频段内，x线极化波和y线极化波的共极化透射系数。

图3b是本发明的超表面单元结构在0.5-0.9THz频段内，x线极化波和y线极化波的共极化透射相位。

图4a是本发明的超表面单元结构在0.5-0.9THz频段内，对不同的编码粒子入射左旋圆极化波，透射波为右旋圆极化波的透射系数。

图4b是本发明的超表面单元结构在0.5-0.9THz频段内，对不同的编码粒子入射左旋圆极化波，透射波为右旋圆极化波的透射相位。

图5是本发明的编码序列1组成的编码超表面产生异常折射角为±50.1°，超表面单元结构xoy面的摆放方式示意图。

图6a是本发明的编码序列1组成的编码超表面产生异常折射角为50.1°的异常折射的电场强度图。

图6b是本发明的编码序列1组成的编码超表面产生异常折射角为-50.1°的异常折射的电场强度图。

图7是本发明的编码序列2组成的编码超表面产生异常折射角为30°，超表面单元结构xoy面的摆放方式示意图。

图8是本发明的编码序列2组成的编码超表面产生异常折射角为30°的异常折射的电场强度图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明公开了一种基于几何相位的高透射型太赫兹编码超表面设计方法，包括以下步骤：

步骤1：构建超表面单元结构，设计成“三明治”结构，即顶层和底层为形状以及大小一致的金属结构层，中间层为聚酰亚胺介质层；

步骤2：对x和y方向的线极化波垂直入射到单元结构进行模拟得到共极化透射系数和相位，以确定单元结构的工作频点；

步骤3：利用几何相位原理，对单元结构进行旋转编码，在工作频点处，圆极化波入射条件下，通过旋转单元结构得到对应的交叉极化透射系数和相位；

步骤4：将旋转编码后的单元结构，按照不同的周期性排布，形成用以产生不同异常折射现象的编码超表面。

如图1、图2所示，所设计的超表面单元结构均是由顶层和底层的贵金属结构以及中间的聚酰亚胺介质层构成，金属结构的厚度为0.2um，介质层厚度h＝60um，其中顶层和底层的贵金属结构都是由缺口圆环和矩形组成，矩形的长为29um，宽为18um，缺口圆环的外半径r1＝35um，内半径r2＝25um，缺口大小β＝30°，单元结构边长L＝80um，金属结构逆时针旋转角度为α。在本实施例中，从z方向分别对超表面单元结构入射x和y方向的线极化波，透射波与入射波极化方向相同，则被称为共极化系数，通过几何相位理论分析，在工作频点处需满足：|t

如图3(a)-(b)所示，在0.63THz处，本实施例满足几何相位理论，为后续的超表面设计提供理论基础。同时按照琼斯矩阵理论，图4(a)-(b)是根据本实施例将通过超表面单元结构的入射波与透射波联系起来。当入射波为左旋圆极化波(LCP)，定义为

利用几何相位原理，对单元结构进行旋转编码，本实施例中以22.5°为旋转角步长，把单元结构分为8种编码粒子，即将α

同时，本实施例将8种编码粒子按照编码序列沿x方向周期排列，y方向是相同的编码粒子排列，构建24×24个单元结构组成的编码超表面。本实施例中在工作频点0.63THz处，圆极化波沿着z方向垂直入射条件下，研究编码序列1(01234567…)即(编码0，编码1，编码2，编码3，编码4，编码5，编码6，编码7)，以及编码序列2(000222444666…)即(编码0，编码0，编码0，编码2，编码2，编码2，编码4，编码4，编码4，编码6，编码6，编码6)构成的编码超表面产生的异常折射角。如图5和图7分别是编码序列1、编码序列2构成的超表面。其中，编码序列1在x方向组成的相位梯度超表面的周期长度p＝8L，编码序列2在x方向组成的相位梯度超表面的周期长度p＝12L。基于这8个编码粒子在x方向上形成不同的相位梯度，可以实现不同的异常折射现象，当入射波为左旋圆极化波时，记为“+”，当入射波为右旋圆极化波时记为“-”。

根据广义斯涅尔定律：

θ

本发明公开了一种基于几何相位的高透射型太赫兹编码超表面设计，在0.63THz频点下，基于几何相位设计的透射型单元结构透射率高于90％，与同类超表面单元结构相比，具有更高的透射率，为后续的超表面排布提供理论基础。同时，通过对单元结构进行不同的相位梯度排布，根据广义斯涅尔定律定律，能够实现不同的异常折射角，本发明为异常折射现象的研究提供了一种新的设计思路，在激光雷达和太赫兹相位调控领域具有潜在的应用价值。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。