一种可切换双功能超材料宽带吸收器/波束偏转器

技术领域

本发明属于超材料宽带吸收器和波束偏转器技术领域，具体涉及一种可切换双功能超材料宽带吸收器/波束偏转器。

背景技术

超材料具有不同于传统材料的独特性质，为实现电磁波的调控开辟了一条新的途径，通过合理地设计结构，电磁波的谐振频率、振幅和相位可被主动调节，实现不同的电磁响应。因具有厚度薄、功耗低、功能可定制等优点，使其在吸收器、极化转化器、雷达隐身、波束偏转器、聚焦透镜和涡旋光束生成等众多器件中具有重要的应用。

2008年，Landy等人首次提出了超材料完美吸收器的概念，所设计的超材料是由顶部开口环谐振腔、中间介质间隔层以及底部金属条反射层组成的三层单元结构，使其能够在特定频率点处超材料的阻抗与自由空间的阻抗实现完美匹配，实现了接近100％的窄带吸收。之后，针对太阳能吸收、雷达隐身、红外成像等实际应用，研究人员对吸收器的性能和工作频段进行了大量研究。一是在性能方面，设计出了大量角度和极化不敏感的完美吸收器，金属谐振器结构为中心对称图案；二是在频段方面，设计出了大量窄带、宽带、多频段完美吸收器，覆盖了微波、太赫兹、红外以及可见光波段。吸收器是对电磁波的振幅进行调控，而随后对于电磁波的相位调控研究人员也做了大量研究。2014年，Cui等人首次提出了编码超表面的概念，将介于0到2π之间的相位响应离散化处理后进行编码，设计不同的单元结构进行排列来实现自由操纵电磁波。例如，2016年，Liu等人设计出相位差为π/2的4个编码单元，对其进行不同的排列实现了对反射波束向任意预先设计的方向偏转，并在此之上引入卷积定理实现了对反射波束仰角以及方位角的扫描。

传统吸收器和波束偏转器只能实现单一的功能满足不了实际的需求。近年来研究人员通过在结构中引入二氧化钒(VO

发明内容

针对如何在一个超材料结构中集成具有高效的宽带吸收和波束偏转两种功能，并且通过改变温度能够对功能进行灵活切换的问题，本发明提供了一种可切换双功能超材料宽带吸收器/波束偏转器。

为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

一种可切换双功能超材料宽带吸收器/波束偏转器，从上到下包括VO

所述VO

所述金属图案层由24×24个正方形金属块的单元结构组成，每个正方形金属块的单元结构是由刻蚀有两个垂直交叉的椭圆形凹槽和有四个长方形条状凹槽构成的。

进一步，所述金属图案层中每个正方形金属块的单元结构是中心刻蚀有两个垂直交叉的椭圆形凹槽以及在正方形金属块的单元结构的对角线上刻蚀有四个长方形条状凹槽，且四个长方形条状凹槽围绕在两个垂直交叉的椭圆形凹槽的周围。

进一步，所述VO

进一步，所述正方形VO

进一步，所述半圆形凹槽的圆心位于正方形VO

进一步，所述两个交叉椭圆形凹槽大小相等且垂直位于正方形金属块中心。

进一步，所述四个条状形凹槽大小相等且斜放置在两个交叉椭圆形凹槽的四个斜对角上。

进一步，所述VO

进一步，所述四种不同尺寸大小的VO

进一步，所述第一介质层和第二介质层为聚酰亚胺；所述金属图案层和金属反射板材料为铬。

与现有技术相比本发明具有以下优点：

本发明设计了一种基于VO

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种可切换双功能超材料宽带吸收器/波束偏转器的阵列结构示意图。

图2为本发明实施例提供的一种可切换双功能超材料宽带吸收器/波束偏转器的结构单元示意图。

图3为本发明实施例提供的一种可切换双功能超材料宽带吸收器/波束偏转器的VO

图4为本发明实施例提供的一种可切换双功能超材料宽带吸收器/波束偏转器的金属图案层结构单元的正视图。

图5为本发明实施例提供的一种可切换双功能超材料宽带吸收器/波束偏转器的结构单元侧视图。

图6为本发明实施例提供的一种可切换双功能超材料宽带吸收器/波束偏转器工作在宽带吸收模式时的反射系数和吸收率曲线图。

图7为本发明实施例提供的一种可切换双功能超材料宽带吸收器/波束偏转器工作在波束偏转模式下所涉及的四种不同尺寸的VO

图8为本发明实施例提供的一种可切换双功能超材料宽带吸收器/波束偏转器工作在波束偏转模式下的编码序列示意图。

图9为本发明实施例提供的一种可切换双功能超材料宽带吸收器/波束偏转器工作在波束偏转模式下归一化的三维远场散射图和二维散射图。

图中，1、VO

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及结果效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种可切换双功能超材料宽带吸收器/波束偏转器，如图1所示，从上到下包括VO

所述VO

所述金属图案层3由24×24个正方形金属块的单元结构组成，每个正方形金属块的单元结构是由刻蚀有两个垂直交叉的椭圆形凹槽8和有四个长方形条状凹槽9构成的。

实施例2

一种可切换双功能超材料宽带吸收器/波束偏转器，如图1所示，从上到下包括VO

所述VO

VO

所述金属图案层3由24×24个正方形金属块的单元结构组成，每个正方形金属块的单元结构是由刻蚀有两个垂直交叉的椭圆形凹槽8和有四个长方形条状凹槽9构成的。两个交叉椭圆形凹槽8大小相等且垂直位于正方形金属块中心，四个条状形凹槽9大小相等且斜放置在两个交叉椭圆形凹槽8的四个斜对角上。

实施例3

一种可切换双功能超材料宽带吸收器/波束偏转器，从上到下包括VO

如图2所示，其中单元边长为90μm。VO

所述VO

所述金属图案层3由24×24个正方形金属块的单元结构组成，每个正方形金属块的单元结构是由刻蚀有两个垂直交叉的椭圆形凹槽8和有四个长方形条状凹槽9构成的。

实施例4

一种可切换双功能超材料宽带吸收器/波束偏转器，如图1所示，从上到下包括VO

所述VO

所述金属图案层3由24×24个正方形金属块的单元结构组成，每个正方形金属块的单元结构是由刻蚀有两个垂直交叉的椭圆形凹槽8和有四个长方形条状凹槽9构成的。

实施例5

一种可切换双功能超材料宽带吸收器/波束偏转器，如图1所示，从上到下包括VO

所述VO

所述金属图案层3由24×24个正方形金属块的单元结构组成，如图4所示，本实施例中的一种可切换双功能超材料宽带吸收器/波束偏转器的金属图案层结构单元的正视图，是在一个正方形金属块上刻蚀出两个垂直相交的椭圆形凹槽8和四个条状凹槽9，正方形金属块的边长为70μm，两个交叉椭圆形凹槽8大小相等，长轴和短轴分别为28μm和8μm，位于结构单元中心。四个条状形凹槽9尺寸大小也相等，长和宽分别为36μm和5.5μm，斜放置在两个交叉椭圆孔8的四个斜对角上。

实施例6

一种可切换双功能超材料宽带吸收器/波束偏转器，如图5所示，从上到下包括VO

其中每层边长为90μm。VO

所述VO

所述金属图案层3由24×24个正方形金属块的单元结构组成，是在一个正方形金属块上刻蚀出两个垂直相交的椭圆形凹槽8和四个条状凹槽9，正方形金属块的边长为70μm，两个交叉椭圆形凹槽8大小相等，长轴和短轴分别为28μm和8μm，位于结构单元中心。四个条状形凹槽9尺寸大小也相等，长和宽分别为36μm和5.5μm，斜放置在两个交叉椭圆孔8的四个斜对角上。

实施例7

将上述实施例中的单元结构使用商业CST Microwave Studio 2020频域求解器进行仿真计算，沿着X和Y轴方向分别设置为unit cell边界条件，在Z轴方向上设置为addspace边界条件；阵列结构使用商业CST Microwave Studio 2020时域求解器进行仿真计算，沿着X、Y和Z轴方向上均设置为add space边界条件。电磁波沿着Z轴负方向入射到材料表面。

当超材料处于室温下，二氧化钒表现为绝缘态，此时金属图案层3、第二介质层5和金属反射板6与入射波发生电磁响应，使得该多功能超材料处于宽带吸收工作模式，可以对入射电磁波实现完美宽带吸收的效果。吸收率可以由下式计算：

A(ω)＝1-R(ω)-T(ω) (1)

其中R(ω)为反射率，对于入射线极化波，R(ω)＝|r

如图6所示，在0.50-1.95THz范围内，反射率始终低于0.1，吸收率超过90％，相对带宽达到118％；当温度升高至340K时，二氧化钒为金属态，此时VO

如图7所示，在0.71THz处，共极化反射系数达到0.8以上，并且相邻两个结构单元之间的相位差为π/2，显然满足2bit编码的要求。对四种不同尺寸的VO

图9为仿真出归一化的三维远场散射图和二维散射图，可以发现反射波束发生了异常偏转，且根据二维归一化散射图可以读出偏转角度为23°。

因此，本发明在一个超材料结构中集成了宽带吸收和波束偏转两种功能，通过改变VO

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。