太赫兹波反射单元、反射器及检验方法

技术领域

本发明涉及太赫兹功能器件技术领域，尤其涉及一种太赫兹波反射单元、反射器及检验方法。

背景技术

太赫兹波通常是指频率范围在0.1-10THz，波长范围在0.03-3mm的电磁波，在电磁波谱中介于微波和红外之间，是电子学与光子学的交叉区域。因其在电磁波谱中的位置比较特殊，所以它具备了很多不同于其他波段的特殊性质。近年来，随着太赫兹领域的发展，对太赫兹波的波前进行有效地调控成为了太赫兹科学与技术的研究热点之一。太赫兹功能器件能够对太赫兹波的波前进行高效、多维度的调控，其中太赫兹反射器便是其中的一种。它可以通过调节太赫兹反射波的振幅及相位来对电磁波实现不同的调控，如波束偏转、波束赋形、极化转换及光束聚焦等，是反射式太赫兹光谱分析仪、太赫兹雷达及太赫兹通信等系统中的关键部件，因此需要满足高反射率、宽带宽以及更高相位覆盖等要求。目前对太赫兹反射器件的研究相对较少，而被广泛使用的金属反射器虽然能实现较高的反射率，但其结构庞大笨重且无法对波束进行有效调控也不利于小型化、集成化和多向传输。

超表面(metasurfaces)是一种新兴的二维人工亚波长电磁结构,具有超薄的特点，其自身厚度只有工作波长的几十分之一，可以利用微纳加工技术进行加工，因其在操纵电磁波方面的巨大潜力、多功能性、低损耗和易于在芯片上制造等优点而备受关注。它可以通过等效的电磁表面阻抗和突变的相位不连续性对电磁波进行多自由度、有效操控，如异常反射/折射、吸收、隐形和偏振转换等，超表面的研究和发展对电磁波的振幅、相位、偏振态以及传播模式的调控和波束赋形提供了一种新的技术路线，对实现具有综合性功能的太赫兹调制器件具有重要的应用价值。

随着广义斯涅尔定律的提出，通过在二维超表面上引入特定的相位变化，利用超表面上的相位补偿来代替空间积累的相位，从而实现对太赫兹波前的有效调控。目前，基于超表面的太赫兹反射调控器件所适用的太赫兹波带宽窄，反射率低，不能实现频扫，并且缺乏检验性能的方法。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种太赫兹波反射单元、反射器及检验方法。

本发明提供的一种太赫兹波反射单元，所述反射单元包括：

底部反射层；

中间介质层；

顶部图案层，所述顶部图案层的图案结构凸起于所述中间介质层；所述图案结构为旋转对称图形，包括一个十字形状以及分别设置在所述十字形状的四端的四个半圆环，所述十字形状由两个相同的矩形相交构成，所述半圆环的内外边分别与对应的所述矩形的两条长边相切，所述半圆环的直边与对应的所述矩形的一条短边共线。

根据本发明提供的一种太赫兹波反射单元，所述矩形的长边的长度为29-34μm，对应的，所述矩形的短边的长度为5-7μm。

举例而言，所述矩形的长边长度为29-34μm，短边长度为5-7μm。这一尺寸的太赫兹波反射单元具备较优的反射效率，较宽的反射带宽。

优选地，所述矩形的长边长度为32μm，短边长度为5μm。这一尺寸的太赫兹波反射单元具备更好的反射效率和反射带宽。

根据本发明提供的一种太赫兹波反射单元，所述顶部图案层的厚度为200-400nm；和/或，所述中间介质层的厚度为25-35μm；和/或，所述底部反射层的厚度为200-400nm；和/或，所述中间介质层和所述底部反射层的横截面均为边长80-90μm的矩形。这一尺寸的太赫兹波反射单元具备较优的反射效率，较宽的反射带宽。

更进一步地，所述顶部图案层的厚度为400nm，所述中间介质层的厚度为30μm，所述底部反射层的厚度为400nm。这一尺寸的太赫兹波反射单元具备更好的反射效率和反射带宽。

根据本发明提供的一种太赫兹波反射单元，所述底部反射层和所述顶部图案层均采用金属制成，所述金属包括金、银、铜或铝中的一种或多种；和/或，所述中间介质层的材料为硅、石英或聚酰亚胺中的一种或多种。这一材料结构的太赫兹波反射单元具备较优的反射效率，较宽的反射带宽。

优选地，所述顶层金属图案和所述底层金属层的电导率为4.56×10

进一步地，所述中间介质层的介电常数为3-4，损耗正切角为tanδ＝0.01-0.1。这一中间介质层的太赫兹波反射单元具备较优的反射效率，较宽的反射带宽。

优选地，所述中间介质层的介电常数为3.5，损耗正切角为tanδ＝0.01。这一中间介质层的太赫兹波反射单元具备更好的反射效率和反射带宽。

根据本发明提供的一种太赫兹波反射单元，对于垂直入射的太赫兹波，在0.50-2.00THz的频率范围内，所述反射单元的反射率在90％以上。

本发明还提供的一种太赫兹波反射器，所述反射器包括周期性序列排布的多种规格的如上述任一项所述的反射单元。

根据本发明提供的一种太赫兹波反射单元，所述反射单元按照规格从小到大依次排布，不同规格之间的差异仅在于所述半圆环的外半径R

根据本发明提供的一种太赫兹波反射器，所述反射单元包括五种规格，对应的，所述R

需要说明的是，通过CST仿真软件，对反射单元的矩形长边L、半圆环的外半径R

根据本发明提供的一种太赫兹波反射器，针对垂直入射的太赫兹波，所述反射器能够实现最大达300°的相位差变化。

根据本发明提供的一种太赫兹波反射器，针对垂直入射的太赫兹波，随着入射波频率的增加，所述反射器的反射波束的角度逐渐减小。

本发明还提供的一种太赫兹波反射单元和反射器检验方法，所述检验方法包括：

利用光刻、刻蚀的方法，将掩模版上的图案转移到聚酰亚胺基底表面上，制备任一项所述的太赫兹波反射单元和任一项所述的太赫兹波反射器，作为样品；

利用太赫兹时域光谱系统获取所述样品在0-3.0THz的光谱信息，实现对所述反射单元和所述反射器的反射特性的定量检测。

根据本发明提供的一种太赫兹波反射器检验方法，所述利用太赫兹时域光谱系统获取所述样品在0-3.0THz的光谱信息，实现对所述反射单元和所述反射器的反射特性的定量检测，包括以下步骤：

利用所述太赫兹时域光谱系统，采用反射测量模式，在氮气环境下，采集金属镜的太赫兹光谱数据作为参考信号，采集所述反射单元和所述反射器的太赫兹光谱数据作为样品信号，对时域光谱进行傅里叶变换，得到参考振幅和样品振幅；

在0-3.0THz范围内，利用振幅信息，通过所述样品振幅和所述参考振幅的比值作为所述反射单元的反射率，并获得所述反射器的频率-反射率曲线。

根据本发明提供的一种太赫兹波反射器检验方法，所述太赫兹时域光谱系统采集信号时的测定条件为：20-25℃，相对湿度<10％。

本发明提供的太赫兹波反射单元、反射器及检验方法，通过十字形及其四端连接的半圆环构成的图案结构，实现对宽频带的太赫兹波高反射率的反射。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的一种太赫兹波反射单元结构示意图；

图2为本发明实施例1的TM波垂直入射的仿真结果；

图3为本发明提供的不同反射单元的结构参数；

图4为本发明实施例2中对反射器做TM波垂直入射仿真的反射率曲线图；

图5为本发明实施例2中对反射器做TM波垂直入射仿真的相位差曲线图；

图6为本发明提供的一种太赫兹波反射器结构示意图；

图7为本发明实施例3中反射器分别采用频率为f＝1.00THz、f＝1.30THz、f＝1.60THz的TM波垂直入射结果示意图；

图8为本发明实施例4中采用电磁仿真软件设计仿真对反射器频扫性能进行验证的结果示意图；

图9为本发明实施例5中同规格反射器的反射率测试结果图；

图10为本发明实施例5中太赫兹波反射器的反射率测试结果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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作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。

下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本申请实施例提供的太赫兹波反射单元进行详细地说明。

实施例1

本实施例采用电磁仿真软件设计仿真并提供一种太赫兹波反射单元，图1为本发明实施例1提供的一种太赫兹波反射单元结构示意图，图1中的b为反射单元的侧视图，如图1中的b所示，该太赫兹波反射单元从下至上包括：底部反射层、中间介质层和顶部图案层。

其中，底部反射层截面为正方形，边长为85μm，厚度为0.2μm，材料为金。

其中，中间介质层截面为正方形，边长为85μm，厚度为30μm，材料为聚酰亚胺。

顶部图案层厚度为0.2μm，图1中的a为顶部图案层的俯视图，如图1中的a所示，顶部图案层的图案结构凸起于中间介质层；图案结构为旋转对称图形(旋转角度90°)，包括一个十字形状以及分别设置在十字形状的四端的四个半圆环，十字形状由两个相同的矩形相交构成，半圆环的内外边分别与对应的矩形的两条长边相切，半圆环的直边与对应的矩形的一条短边共线，矩形和半圆环在同一平面内。半圆环的外半径长R

针对本实施例的太赫兹波反射单元，图2为本发明实施例1的TM波垂直入射的仿真结果，如图2所示，在0.50-2.00THz的频率范围内，其反射率在90％以上，适用带宽达到了1.50THz。

实施例2

基于实施例1提供的太赫兹波反射单元，本实施例采用电磁仿真软件设计仿真并提供一种不连续相变的宽频带太赫兹波反射器，在基底表面设有多个反射单元，图6为本发明提供的一种太赫兹波反射器结构示意图，如图6所示，反射单元可以通过改变R

针对这5种反射单元，本发明进行了TM波垂直入射的仿真，图4为本发明实施例2中对反射器做TM波垂直入射仿真的反射率曲线图，如图4所示，显示了这五种反射单元在整个工作带宽内具有很高的反射率且每个反射单元的反射率变化均很小；图5为本发明实施例2中对反射器做TM波垂直入射仿真的相位差曲线图，如图5所示，显示了五种反射单元的相位曲线具有较好的线性度，第一种反射单元与第二种反射单元之间的相位差在46°-86°之间，第二种反射单元与第三种反射单元之间的相位差在60°-77°之间，第三种反射单元与第四种反射单元之间的相位差在40°-70°之间，第四种反射单元与第五种反射单元之间的相位差在50°-60°之间，第一种反射单元与第五种反射单元之间的相位差在240°-300°之间，故在整个带宽内能实现300°的不连续相位变化。

实施例3

基于前述实施例提供的不连续相变的宽频带太赫兹波反射器，本实施例采用电磁仿真软件设计仿真对其性能进行验证，反射器结构如图6所示，图3为本发明提供的不同反射单元的结构参数，如图3和6所示，以五种反射单元即构成一个周期(“第一种反射单元”-“第五种反射单元”)，沿着x轴方向进行周期性顺序排列在基底上得到不连续相变的宽频带太赫兹高反射器，每一周期内的相邻太赫兹波反射单元的距离为85μm。

针对该不连续相变的宽频带太赫兹高反射器，本实施例分别采用频率为f＝1.00THz、f＝1.30THz、f＝1.60THz的TM波垂直入射，图7为本发明实施例3中反射器分别采用频率为f＝1.00THz、f＝1.30THz、f＝1.60THz的TM波垂直入射结果示意图，如图7所示，对于该太赫兹波反射器，当入射波为右旋圆偏振波垂直入射时，在不同频率处太赫兹波被反射到了不同的方向。如图7中的a和b所示，当入射波的频率为f＝1.00THz时，反射角约为44°；如图7中的c和d所示，当入射波的频率为f＝1.30THz时，反射角约为31°；如图7中的e和f所示，当入射波的频率为f＝1.60THz时，反射角约为25°。

实施例4

基于实施例2提供的不连续相变的宽频带太赫兹波反射器，图8为本发明实施例4中采用电磁仿真软件设计仿真对反射器频扫性能进行验证的结果示意图，如图8所示，针对该不连续相变的宽频带太赫兹波反射器，本实施例分别采用频率为1.00THz、1.10THz、1.20THz、1.30THz、1.40THz、1.50THz和1.60THz的TM波垂直入射，对于该不连续相变的宽频带太赫兹波反射器，当入射波为TM波垂直入射时，其反射波对应的反射角度分别为44°、39°、35°、31°、29°、27°和25°。因此，随着入射波频率的增加，反射波束的角度逐渐减小，展现了良好的波束扫描的特性。由斯涅尔公式可知

实施例5

基于实施例1提供的太赫兹波反射单元和实施例2提供的不连续相变的宽频带太赫兹波反射器，本实施例用L-Edit绘制掩模版加工图，通过紫外光刻技术加工出有效可用的太赫兹波反射单元及太赫兹波反射器，其中，为检验反射单元，阵列200×200个相同所述反射单元构成具有同规格反射单元的同规格反射器，太赫兹波反射器是由共170×170个五种编码元素在x向成周期性序列排布构成，尺寸参数与仿真时所用参数相同，对其检测具体步骤如下：

应用基于光电导天线的太赫兹时域光谱系统。室内温度为22℃，湿度小于10％，太赫兹频率范围为0-3.0THz。利用太赫兹时域光谱系统，采用反射测量模式充氮气环境下测量的金属镜的太赫兹时域信号作为参考信号，测量的同规格反射器及太赫兹波反射器件的时域信号为样品信号，并对所得时域光谱进行傅里叶变换，得到参考振幅E

本发明基于编码超表面理论，设计了编码超表面太赫兹波反射器。该超表面是通过改变设计好的反射单元不同的结构参数和单元排列顺序来灵活控制太赫兹波，用同一个反射器就可以实现使入射的太赫兹波向不同方向反射的功能。利用光刻、刻蚀技术制备太赫兹波反射器并采用太赫兹时域光谱系统在反射模式、氮气环境下对器件进行测试，得到太赫兹时域光谱信号作为样品信号，在同样条件下检测的金属镜的时域光谱信号作为参考信号，利用傅里叶变换进而得到样品在特征频率内的反射光谱，用数据拟合方法建立定量分析模型，获得待测样品的定量检测值。

本发明基于特定的太赫兹波反射单元，将其周期性排布得到一种不连续相变的宽频带太赫兹波反射器。所述太赫兹波反射单元结构及其器件制备简单、体积小、可采用微纳加工技术，加工成本难度低；所述不连续相变的宽频带太赫兹波反射器装置工作带宽较宽，工作频率范围内的反射率很高，可以实现300°的不连续相位变化；所述太赫兹波反射装置采用编码超表面的原理，在对太赫兹波的调控方面有更多的自由度；所述太赫兹波反射单元和所述太赫兹波反射装置在太赫兹通信、太赫兹反射成像、波束控制等方面具有巨大的潜在应用价值。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。