一种基于二氧化钒的可切换多功能太赫兹极化转换器件

技术领域

本发明涉及电磁超材料领域，具体涉及一种基于二氧化钒的可切换多功能太赫兹极化转换器件，可以实现多种极化转换效果。

背景技术

太赫兹（Terahertz，简称THz）波位于电子学和光子学的过渡区域，在电磁波谱中位于微波与红外之间（0.1~10THz）。独特的频谱位置使得THz波具有微波穿透能力和光学成像功能，同时还表现出许多微波和红外波段不具有的电磁特性，如宽带性、相干性、瞬态性以及较低的光子能量。

极化是电磁波的本质属性之一，电磁波可以通过极化加载更为丰富的信息，并且随着5G和6G通讯技术的发展，对电磁波携带信息的能力要求愈来愈高，因此极化转换器件具有非常广阔的应用前景。传统的极化转换器大多数利用材料本身在传播方向上弱极化响应的累积来制备，包括晶体中的各向异性效应、布鲁斯特角效应和磁光介质法拉第效应等，然而这些器件的巨大厚度严重阻碍了光学系统的小型化和集成化发展，并且复杂的外围设备更加限制了其在现代光学系统中的应用。

超材料是一种人工设计的新型电磁材料，其结构一般由亚波长尺寸的周期阵列单元构成，拥有许多不同于自然界中常规材料的超常物理特性。超材料并不是一种新的材料形态，而是对自然界中的常规材料进行人工的组合设计，以实现独特的物理特性，如负折射、电磁隐身等，这是一种全新的设计理念，给人们对于材料的传统的思维方式带来了很大的转变。

近年来，随着技术的进步，被动式超材料结构已经不能满足当前的应用要求，极化转换器件也逐步向多功能可调谐的主动式方向发展，将可调谐以及多样化的功能集成到单个超材料结构已成为一个新兴的研究领域。目前研究场景较为普遍的是，在结构设计的过程中引入各种各样的可变材料（VO

发明内容

本发明提供了一种基于二氧化钒的可切换多功能太赫兹极化转换器件，本发明旨在利用尽可能简单且有效的超材料结构设计和相变材料二氧化钒实现一种温控太赫兹多种极化转换功能，利用二氧化钒的温控相变特性，可以使器件工作频率在透射和反射之间、线极化和圆极化之间进行切换，以满足更加复杂的应用场景。

为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：

一种基于二氧化钒的极化状态调控太赫兹器件，所述器件由五层复合结构组成，从上到下为VO

其中，由于中间连续的VO

其中，极化多功能器件的周期为P＝30μm。

其中，底部的“杠铃”形谐振层材料为金，厚度为0.2μm。

其中，上部介质层和下部介质层材料为聚酰亚胺，厚度分别为9μm、14μm。

其中，中间的反射薄膜材料为二氧化钒，厚度为1μm。

其中，顶部的复合超表面层材料为金和二氧化钒，厚度为0.2μm。

其中，所述短截线两端VO

其中，所述“杠铃”形谐振层竖条的长度为32μm，宽度为1.3μm；横条的长度为11μm，宽度为1μm，两横条之间的距离为20.3μm。

其中，所述短截线和双开口谐振环全部沿45°角对称。

进一步地，所述超材料微结构的电磁响应特性是由三维电磁仿真软件(CSTMicrowave Studio)仿真。。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明的超材料结构是有源可控的，通过改变温度可以实现二氧化钒由绝缘态到金属态的可逆相变，从而实现器件多种功能的切换。

2、当二氧化钒为绝缘态时，在4.20～4.90THz范围内转换器实现透射线-圆极化转换。

3、当二氧化钒为金属态时，可分为正向和反向反射模式，在正向反射模式时，为线-圆极化转换，x极化波分别在2.08～2.80 TH和4.00～5.62 THz处实现线极化到左旋圆极化和右旋圆极化的转换；而在反向反射模式时，转换器在 2.55～3.87 THz范围内实现线极化波到交叉极化波的转换。

4、该超材料器件可以实现对太赫兹波极化态的主动调控功能，使之应用更加具有灵活性和广泛性，并有望应用到太赫兹传感、成像、通讯等技术领域中。

附图说明

图1为本发明一种基于二氧化钒的可切换多功能太赫兹极化转换器件的单元结构示意图；

图2为本发明一种基于二氧化钒的可切换多功能太赫兹极化转换器件的(a)侧视图、(b)俯视图、(c)仰视图。

图3为本发明一种基于二氧化钒的可切换多功能太赫兹极化转换器件的(a)正向透射模式、(b)正向反射模式、(c)反向反射模式示意图。

图4为二氧化钒电导率为300S/m（绝缘态）时x极化波在正向透射模式时透射系数幅值和相位差的曲线图；

图5为二氧化钒电导率为300S/m（绝缘态）时x极化波在正向透射模式时轴比曲线图；

图6为二氧化钒电导率为300000S/m（金属态）时x极化波在正向反射模式时反射系数幅值和相位差的曲线图；

图7为二氧化钒电导率为300000S/m（金属态）时x极化波在正向反射模式时轴比曲线图；

图8为二氧化钒电导率为300000S/m（金属态）时x极化波在反向反射模式时反射系数幅值和PCR曲线图；

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，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

设计了一种基于二氧化钒的可切换多功能太赫兹极化转换器件。该器件在不同的温度条件下可以实现不同的功能，在室温条件下二氧化钒处于绝缘态时，转换器实现透射线-圆极化转换；当温度升高二氧化钒处于金属态时，所设计的极化转换器能够工作在正向和反向反射模式，在正向反射模式时，为线-圆极化转换，在反向反射模式时，为线-线极化转换，实现了主动控制的目的。

如图1所示，本发明实施例基于五层复合结构组成：所述器件由从上到下为VO

如图2所示，为本发明的单元结构参数图，图中，t

本发明实施例中使用的超材料微结构的电磁响应特性是由三维电磁仿真软件(CST Microwave Studio)仿真，并筛选了不同电导率下的超材料的反射谱情况。

图3(a)、3(b)和3(c)为转换器工作的三种模式：正向透射模式、正向反射模式和反向反射模式。

本发明实施例是以x极化波作为发射源，线极化波从该极化转换器顶层正入射，x和y方向均采用unit cell周期性边界条件，z方向采用open (add space) 边界条件，通过Floquet Port端口设置线极化电磁波从z或-z方向垂直入射到该超材料的顶层或底层结构上。

通过设置二氧化钒的不同电导率（仿真中通过设置电导率来模拟实际情况中二氧化钒对温度的响应，也就是不同的电导率对应不同的温度）实现对极化转换器振幅的调控，其中要强调的是二氧化钒在CST Microwave Studio软件仿真中通过设置不同的电导率来模拟真实情况下的不同温度，电导率300~300000S/m对应实际环境温度23℃~87℃。

极化转换原理以及衡量优劣的指标：

对于圆极化来说，当x线极化波入射到超表面时，透射系数幅度|t

波轴比也是衡量圆极化波的一个重要指标，他代表圆极化的程度，其中，透射和反射圆极化波轴比的理论计算公式：AR=20log(t

为了表征线极化转换器的性能，研究了极化转换器的极化转换效率PCR，其计算公式为：

当二氧化钒电导率为300S/m（绝缘态）时，VO

图4(a)和4(b)分别为x极化波在正向透射模式时透射系数幅值和相位差的曲线图，其中t

图5为x极化波在正向透射模式时轴比曲线图，可以看到，在4.20～4.90THz频段内轴比小于3dB，实现了透射线-圆极化转换。

当二氧化钒电导率为300000S/m（金属态）时，VO

当x极化波从z方向向下入射时，此时器件由最上面的VO

图7为x极化波在正向反射模式时轴比曲线图，可以看到，在在2.08～2.80 THz和4.00～5.62 THz两个频段内轴比均小于3dB，实现了反射线-圆极化转换。

当x极化波从-z方向向上入射时，此时器件由最下面的“杠铃”形金谐振层、下部PI介质层和金属态的VO

本器件使用现有的微纳米加工工艺可以加工。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。