基于二氧化钒复合手性超表面的太赫兹可调圆二色性器件

本发明涉及电磁超表面领域，具体涉及的是一种基于二氧化钒复合手性超表面的太赫兹可调圆二色性器件，可以实现圆二色性峰值的调节，可用于光学检测和医疗检测等领域。

背景技术：

1、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。

2、一个物体自身与其镜像不能完全重合的性质，称为手性。其中，手性物质与其镜像称为一对手性对应体。自然界中很多物质的结构都具有手性，如蛋白质，氨基酸，dna等，因此手性对生命体十分重要，从而探测物质的手性便成为众多科研工作者研究的热点。通常利用圆二色性(circular dichroism,cd)来探测物质或结构的手性，cd可以定义为手性介质对于不同的圆极化波的吸收率不同，其差值即为圆二色性。

3、由于自然界中的生物分子的手性信号比较微弱，且通常位于近紫外波段，不便于探测，所以通过研究人造手性超表面的性质，但是至今人们所提出的大部分的手性超表面都具有复杂的单元结构，且在应用时效率低下，或者功能单一，不可调节。因此，在设计新的手性超表面器件时应综合考虑用材、工艺、效率以及功能等多方面因素。

4、近年来，手性超表面器件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超表面结构中已成为一个新兴的研究领域。本发明提出了一种新的手性超表面结构，顶层的复合金属谐振层的不对称性会对入射的圆极化波产生强烈反应，形成很高的圆二色性。结构加入了二氧化钒，利用其电导率可调的特性，实现了圆二色性波峰值大小的可调性，在一定范围内改变小环开口角度θ2，还可以使圆二色性波峰在强度不变情况下发生红移和蓝移，可以根据实际需要灵活调整。

技术实现思路

1、本发明设计了一种基于二氧化钒复合手性超表面的太赫兹可调圆二色性器件，提供了一种强圆二色性，且通过二氧化钒的相变，圆二色性波峰可以进行高低调节，该结构的镜像结构还可以实现与原结构相反的圆二色性。本结构的圆二色性在1.46thz处最高可以达到0.95。

2、为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：

3、一种基于二氧化钒复合手性超表面的太赫兹可调圆二色性器件，所述器件由三层复合结构组成，从下到上依次是：金基底、pi介质层和嵌入vo2的金属谐振层。

4、其中，通过vo2的相变，可以改变顶层的复合金属谐振层的不对称性，进而改变器件圆二色性峰值的大小。

5、其中，金基底和嵌入vo2的金属谐振层的厚度均为0.2μm；pi介质层的厚度为27μm。

6、其中，手性超表面圆二色性器件周期p＝50μm。

7、其中，所述大开口环的内半径为r1=14μm，宽度w1=6μm，开口角度θ1=51°，相对于x轴正半轴的偏转角度β1=45°。

8、其中，所述小开口环的内半径为r2=9μm，宽度w2=4μm，嵌入vo2角度θ2=64°，相对于x轴正半轴的偏转角度为β2=135°。

9、其中，所述两端金属条的宽度w3=1.5μm。

10、进一步地，所述超表面微结构的电磁响应特性是由三维电磁仿真软件(cstmicrowave studio)仿真。

11、本发明提供的技术方案的有益效果是：

12、1、本发明的超表面结构是有源可控的，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，从而调节器件圆二色性波峰值的大小。

13、2、当二氧化钒为绝缘态时，在在1.46thz处圆二色性峰值达到0.95，几乎所有入射lcp太赫兹波被吸收，同时大部分入射rcp 太赫兹波被反射。

14、3、当二氧化钒为金属态时，左右旋圆极化波的吸收率几乎相等。其圆二色性峰值下降到0.05，器件调制深度为0.9，cd效应发生了显著的变化。

15、4、该器件可以实现对太赫兹波段圆二色性峰值大小的调控功能，使之应用更加具有灵活性和广泛性，并有望应用到光学检测和医疗检测等领域。

技术特征：

1.一种基于二氧化钒复合手性超表面的太赫兹可调圆二色性器件。其特征是：它由三层结构组成，从下到上依次是：金基底、pi介质层和嵌入vo2的金属谐振层。

2.根据权利要求1所述的基于二氧化钒复合手性超表面的太赫兹可调圆二色性器件，其特征在于，整体结构的周期p=50μm，金基底和嵌入vo2的金属谐振层的厚度均为0.2μm；pi介质层的厚度为27μm；大开口环的内半径为r1=14μm，宽度w1=6μm，开口角度θ1=51°，相对于x轴正半轴的偏转角度β1=45°；小开口环的内半径为r2=9μm，宽度w2=4μm，嵌入vo2角度θ2=64°，相对于x轴正半轴的偏转角度为β2=135°；两端金属条的宽度w3=1.5μm。

3.根据权利要求1所述的基于二氧化钒复合手性超表面的太赫兹可调圆二色性器件，其特征在于，顶层的复合金属谐振层的不对称性会对入射的圆极化波产生强烈反应，再加上中间pi介质层构成的损耗介质，使得入射的左旋圆极化波(lcp)耗散在介质中，被结构所吸收，然而右旋圆极化波(rcp)却几乎不受影响，会被反射出来，从而形成左右旋圆极化波的巨大吸收差；当中间二氧化钒层的电导率为300s/m时，圆二色性达到最佳，最高可达0.95；通过改变二氧化钒层的温度，可以调节其电导率，当电导率达到300000s/m，该结构的圆二色性最低，只有0.05，形成了高低调节，实现了圆二色性“开” “关”的功能；该结构还可以在一定角度内改变小环开口角θ2大小，在不改变波峰强度的前提下实现频率的蓝移或红移；该结构的镜像结构可以反转对左右旋圆极化波的吸收，实现与原结构相反的圆二色性，可以满足复杂的现实环境的要求。

技术总结
本发明公开了一种基于二氧化钒复合手性超表面的太赫兹可调圆二色性器件，其特征为：它是由金基底、聚酰亚胺(PI)介质层和嵌入VO<subgt;2</subgt;的金属谐振层三层结构组成。由于顶层复合结构与介质层之间发生的相互作用而产生了很强的圆二色性(CD)，并且可以通过改变二氧化钒温度来使其电导率发生变化，达到实现圆二色性波峰高度可调节。本发明具有圆二色性效果好，峰值可达0.95，并且峰值高低和频率可调，圆二色性可逆，可用于光学检测和医疗检测等领域，具有十分广阔的应用前景。

技术研发人员：牛军浩,嵇文麟,崔丽丽,陈建宝,张贤富,田仁芳
受保护的技术使用者：桂林电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16