基于新型人工电磁材料的正交偏振转换器的制作方法

本发明涉及一种基于新型人工电磁材料的正交偏振转换器。

背景技术：

新型人工电磁材料(Metamaterials)又称超材料，是一种人工复合材料或复合媒介，通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常物理特性，如负折射、异常的透射和反射、隐身斗篷等。新型人工电磁材料一般是由周期性排列的基本单元构成，其电磁特性主要取决于基本单元的几何结构，且基本单元的尺寸需远小于入射电磁波的波长。

近年来，基于新型人工电磁材料来实现对电磁波偏振控制的研究得到了广泛的关注，此外，利用新型人工电磁材料的手性(2D手性和3D手性)和各向异性可以实现正交偏振转换功能的研究成果，促进了偏振转换器的集成化发展。

目前，偏振转换器对工作频带的展宽仍是一个热点研究问题，通常，宽频带的偏振转换器是通过多层的结构堆叠获取的，但这种器件的体积往往比较大，不利于器件的小型化发展。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种基于新型人工电磁材料的正交偏振转换器，通过对电磁材料层的基本单元的结构进行改进，实现对正交偏振转换器的工作频带的展宽。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于新型人工电磁材料的正交偏振转换器，包括，基底层和电磁材料层，电磁材料层镀附于基底层上；电磁材料层包括N*N个基本单元，且多个基本单元呈周期性排列；每个基本单元以副对角线为对称轴，包括方形开口环和与副对角线方向平行的倾斜金属线，且倾斜金属线与方形开口环的两个对角相接；其中，方形开口环为中心对称结构，且由四条互不相接的“L”型线组成，分别为第一“L”型线，第二“L”型线，第三“L”型线和第四“L”型线，第一“L”型线与第三“L”型线的尺寸一致，第二“L”型线与第四“L”型线的尺寸一致；四条“L”型线的线宽和倾斜金属线的线宽相等；基底层的厚度为微米量级，电磁材料层的厚度为纳米量级。

进一步地，基底层的材质为二氧化硅。

进一步地，电磁材料层的材质为铜，金或铝。

进一步地，四条“L”型线的线宽和倾斜金属线的线宽均为w＝10μm；基底层的厚度t＝3μm，电磁材料层的厚度为t_m＝200nm；方形开口环的边长a＝130μm，第一“L”型线与第二“L”型线的距离为s＝10μm，第二“L”型线的一边的长度为l＝20μm；基本单元的排列周期p＝150μm。

本发明提供的基于新型人工电磁材料的正交偏振转换器，电磁材料层的每一个基本单元都包括方形开口环和与副对角线方向平行的倾斜金属线，基本单元的结构符合各向异性特征，即可以实现电磁波的正交偏振转换，即，输出波形与输入波形正交，另外，基底层的厚度为微米量级，电磁材料层的厚度为纳米量级，体积小。此外，本发明的基本单元的结构为方形开口环与金属斜线的组合，从而可以实现多重谐振响应，继而利用多重谐振响应的叠加作用，实现正交偏振转换器的工作频带的展宽。

附图说明

图1是本发明实施例提供的正交偏振转换器的结构图；

图2是本发明实施例提供的正交偏振转换器的基本单元的结构立体图；

图3是本发明实施例提供的正交偏振转换器的基本单元的正面示意图；

图4是本发明实施例提供的正交偏振转换器针对x方向的入射偏振光的偏振效果图；

图5是本发明实施例提供的正交偏振转换器针对y方向的入射偏振光的偏振效果图；

图6是本发明实施例提供的正交偏振转换器的透射与反射效果定性分析图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。

实施例一

结合图1，本实施例提供的基于新型人工电磁材料的正交偏振转换器，包括，基底层1和电磁材料层2，电磁材料层2镀附于基底层1上；电磁材料层2包括N*N个基本单元9，且多个基本单元9呈周期性排列；如图2所示地，每个基本单元9以副对角线为对称轴，包括方形开口环和与副对角线方向平行的倾斜金属线，且倾斜金属线与方形开口环的两个对角相接；其中，方形开口环为中心对称结构，且由四条互不相接的“L”型线组成，分别为第一“L”型线，第二“L”型线，第三“L”型线和第四“L”型线，第一“L”型线与第三“L”型线的尺寸一致，第二“L”型线与第四“L”型线的尺寸一致；四条“L”型线的线宽和倾斜金属线的线宽相等；基底层1的厚度为微米量级，电磁材料层2的厚度为纳米量级。

本发明实施例提供的基于新型人工电磁材料的正交偏振转换器，电磁材料层2的每一个基本单元9都包括方形开口环和与副对角线方向平行的倾斜金属线，基本单元9的结构符合各向异性特征，即可以实现电磁波的正交偏振转换，即，输出波形与输入波形正交，另外，基底层1的厚度为微米量级，电磁材料层2的厚度为纳米量级，体积小。此外，本发明实施例的基本单元9的结构为方形开口环与金属斜线的组合，从而可以实现多重谐振响应，继而利用多重谐振响应的叠加作用，实现正交偏振转换器的工作频带的展宽。

优选地，基底层1的材质为二氧化硅。本实施例采用二氧化硅作为基底层1，其厚度更易精准控制且其折射率受制备过程影响不大，可靠性高。

优选地，电磁材料层2的材质为铜，金或铝。

进一步优选地，如图3所示地，四条“L”型线的线宽和倾斜金属线的线宽均为w＝10μm；基底层1的厚度t＝3μm，电磁材料层2的厚度为t_m＝200nm；方形开口环的边长a＝130μm，第一“L”型线与第二“L”型线的距离为s＝10μm，第二“L”型线的一边的长度为l＝20μm；基本单元9的排列周期p＝150μm，也就是说，每两个基本单元9的间隔为g＝20μm。

本实施例中，可以通过调节基本单元9的尺寸来实现对不同电磁波的控制。且当四条“L”型线的线宽和倾斜金属线的线宽均为w＝10μm；基底层1的厚度t＝3μm，电磁材料层2的厚度为t_m＝200nm；方形开口环的边长a＝130μm，第一“L”型线与第二“L”型线的距离为s＝10μm，第二“L”型线的一边的长度为l＝20μm；每两个基本单元9的间隔为g＝20μm时，能够对太赫兹波实现正交偏振控制。

实施例二

本实施例中，当基本单元9的尺寸为适合太赫兹频段的正交偏振转换器时，以实现对太赫兹波的正交偏振为例，阐述正交偏振转换器的工作原理。

如图4所示地，给本实施例正交偏振转换器设置一个xyz坐标轴作为工作平台，其中，z轴垂直于正交偏振转换器的表面。

如图4所示，当x方向偏振的线偏振光3沿-z方向垂直入射到正交偏振转换器的表面时，正交偏振后透射输出光为4，且反射输出光为5，其中，入射线偏振光3为x方向偏振的线偏振光，而偏振输出光中，透射输出光4和反射输出光5均为y方向偏振输出光，即发生了正交偏振转换。此外，透射输出光4和反射输出光5的频带宽度明显比入射线偏振光3的宽，即实现了正交偏振转换器的工作频带的展宽。

如图5所示地，当y方向偏振的线偏振光6垂直入射到正交偏振转换器的表面时，输出的正交偏振透射光为7，反射光为8，其中，入射线偏振光6为y方向偏振的线偏振光，而偏振输出光中，透射输出光7和反射输出光8均为x方向偏振输出光，即发生了正交偏振转换。此外，透射输出光7和反射输出光8的频带宽度明显比入射线偏振光6的宽，即实现了正交偏振转换器的工作频带的展宽。

此外，为了进一步定性分析本实施例的正交偏振转换器对工作频带的展宽效果，假定本实施例的正交偏振转换器的太赫兹能量透射率和反射率分别为T_ij和R_ij，其中，下标i、j分别代表透射/反射光和入射光的偏振态，即，当x方向偏振的线偏振光经过正交偏正器后的透射光对应的透射率为T_xy以及反射光对应的反射率为R_xy，当y方向偏振的线偏振光经过正交偏正器后的透射光对应的透射率为T_yx以及反射光对应的反射率为R_yx。

本实施例中，正交偏振转换器分别在x方向偏振光和y方向偏振光的作用下的正交偏振能量输出曲线如图6所示。从图6可以看出，透射率曲线和反射率曲线之间具有相同的变化趋势，且他们的取值几乎相近，也就是说，本实施例的正交偏振转换器的功能稳定。此外，从图6中可以看出，在0.38THz至2.05THz之间无论是透射率曲线还是反射率曲线，都相对较平稳，也就是说，本实施例的正交偏振转换器的工作频带较宽，即本实施例可以实现正交偏振转换器的工作频带的展宽。

尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。