一种宽带太赫兹表面等离子体片上聚焦与能量主动分配器件

本发明属于太赫兹应用，具体涉及一种宽带太赫兹表面等离子体片上聚焦与能量主动分配器件。

背景技术：

1、太赫兹波在电磁波谱中处于微波和红外波段之间，通常定义在0.1到10thz的频率范围内。随着近年来太赫兹技术的发展，太赫兹功能器件在生化传感、高分辨率雷达和成像以及无线通信等领域展现出很大的应用价值。表面等离子体是一种由导体-电介质界面上自由电子集体震荡产生的特殊电磁模式，与自由空间波相比，表面等离子体波局域在二维平面内传播，因此开发太赫兹表面等离子体器件有助于进一步满足太赫兹系统趋于小型化、低能耗、高效率、片上集成的需求。

2、金属亚波长微纳结构器件为激发和传输太赫兹表面等离子体波提供了一种可行的途径，但传统的表面等离子体器件往往面临激发效率低、工作带宽窄、难以主动调控等问题。构造金属微结构的渐变分布可以灵活地控制表面波波前，例如，su等人基于金属柱结构展示了一种工作频率为0.73thz的表面等离子体透镜 [acs photonics, 2020, 7(12):3305-3312]，但是结构单元的几何参数和空间位置的需要精准设计和制备。依赖于正交入射偏振态的表面波定向激发方案引起了关注，xu等人利用开口谐振环对阵列结构在0.75thz处实现了依赖于正交线偏振波或正交圆偏振波激励的非对称表面波激发［optica,2017, 4(9): 1044-1051］；wang等人基于pancharatnam-berry几何相位机制，设计了一种具有梯度相位分布的表面等离子体器件，在频率为0.4thz时能够对圆偏振激励依赖的表面波定向激发和聚焦[adv. sci., 2020, 7(19): 2000982]。然而，这些太赫兹表面等离子体器件只能在单频或窄带范围内工作，宽带激发和传输表面波的器件报道很少。此外，以往的研究只能通过被动地或机械地改变入射偏振态以控制表面波的定向激发，通过外场主动可控的太赫兹表面等离子体器件还鲜有报道。

3、综上所述，一方面，太赫兹表面等离子体器件结构紧凑，对发展片上集成的太赫兹高速通信、信息处理和传感检测具有重要意义；另一方面，目前报道的太赫兹表面等离子体波器件，难以实现表面波的宽带激发、传输和聚焦；同时还缺少外场主动可调和能量动态分配的机制和方案。因此，急需发展一种具有宽带工作、外场动态可控的太赫兹表面等离子体片上聚焦和能量主动分配器件。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种宽带太赫兹表面等离子体片上聚焦与能量主动分配器件，以解决背景技术中表面等离子体波定向激发器件的工作带宽窄、缺乏主动可控的聚焦方案等关键技术问题。

2、本发明的技术方案为：宽带太赫兹表面等离子体片上聚焦与能量主动分配器件由结构化的金属层、液晶层和前后两层玻璃衬底构成。结构化的金属层是由在金属薄膜上x-y二维平面内左右两侧镜像对称分布的同心环形结构构成，每侧结构包括张角相同的环形子结构，其中每圈环形子结构是由角向均匀分布的且取向沿径向的正交孔对单元构成， 同一圈环中具有的正交孔对单元相同，不同环中正交孔对单元不同，保证圆偏振波激励依赖的表面等离子体波在较宽频率范围内被高效激发，并且沿环形的径向方向定向传播，聚焦到环形结构中心附近。各圈环形子结构激发的表面等离子体波传播到环形结构中心的相位差满足2π rad的整数倍，保证相干相长的相位匹配条件，以实现宽带工作。填充在两层玻璃衬底之间的液晶层起到偏振转换和对左右旋圆偏振光能量分配的作用，通过对液晶层施加0~ 12 v/mm可调范围的外电场，动态地调控聚焦表面等离子体波在镜像方向上的两组同心圆环中心附近的能量分配比例。

3、宽带太赫兹表面等离子体片上聚焦与能量主动分配器件包括：结构化的金属层（1）、前玻璃衬底（2）、液晶层（3）和后玻璃衬底（4）。结构化的金属层（1）是在离子溅射厚度为h1=100~200nm的金薄膜上通过激光直写工艺获得图形化的矩形金属孔（8），孔的长边a=120 ~250μm，短边b=40 ~60μm，并且长宽比在3 : 1 ~ 6 : 1范围内，孔的不同几何尺寸与不同表面等离子体激励波长对应，保证表面波在较宽频率范围内被高效激发；一个正交孔对单元（7）由一对几何尺寸相同、长轴相互正交的矩形孔（8）构成，相邻两个孔的长轴取向角φ1=135°、φ2=45°，几何中心横向相对距离l1和纵向相对距离l2均为1/4表面等离子体波长，此时一个单元内的几何相位差和传播相位差均为π/2 rad，保证在左旋和右旋圆偏振激励时，表面等离子体波沿着正交孔对单元的取向方向分别向左和向右定向传播；两组同心环形结构（5）在金属薄膜上x-y二维平面内左右两侧镜像对称分布，每组环形结构（5）由3~6圈张角相同的环形子结构（6）组成，环形张角ψ=π/2 ~π rad，每一圈环形子结构（6）包含的正交孔对单元（7）按角向均匀分布且取向沿径向的方式排列，相邻单元的相对方位角θ=5º~25º，使得左旋和右旋圆偏振激励的表面等离子体波沿环形径向方向传播，并分别在左侧和右侧同心圆环中心附近定向聚焦；同一圈环形子结构（6）具有的正交孔对单元（7）相同，不同环中正交孔对单元不同，最外环半径不大于10mm，最内环半径不小于0.8mm，各环激发的表面波传播到环形结构中心的相位差满足2π rad的整数倍，保证相干相长的相位匹配条件，使器件实现宽带工作。液晶层（3）填充在两层玻璃衬底之间，厚度h3为500~600μm，对工作频率范围内的正交线偏振波具有π/2 rad的各向异性相位差，采用的液晶材料是一种大双折射向列相液晶，其在太赫兹波段的双折射率系数为0.28~0.32。前玻璃衬底（2）和后玻璃衬底（4）均为厚度h2=h4=300 ~500μm的非掺杂熔融石英光学玻璃，其中，后玻璃衬底具有锚定层，将液晶分子长轴初始锚定在沿y轴方向；施加的外加偏置电场沿x轴方向，保证液晶分子长轴在x-y平面内转动；对液晶层施加0 ~ 12 v/mm可调范围的外电场，使入射线偏振波的偏振状态发生转换，从而动态地调控聚焦表面等离子体波在镜像方向上的两组同心圆环中心附近的能量分配比例。

4、宽带太赫兹表面等离子体片上聚焦与能量主动分配器件的工作方法是：入射波为沿+45°方向偏振的线偏振波，沿着z轴入射宽带太赫兹表面等离子体片上聚焦与能量主动分配器件。当未施加电场时，液晶分子沿着锚定y轴方向排列，与入射波偏振方向的夹角为+45°，经过液晶层出射波的偏振态转换为左旋圆偏振，激发的表面等离子体波在左侧开口同心环形结构中心处发生强聚焦，而在右侧中心处散焦，表面波的能量主要分布在左侧。随着x方向外加电场的增大，液晶分子长轴在x-y平面内开始逐渐转向x轴；当施加6v/mm的外加电场时，液晶分子长轴沿+45°方向，液晶层不具有各向异性相位差，不起到偏振变换作用，出射波为线偏振波，在器件左右两侧结构中心附近的聚焦能量相等；当外加电场达到12v/mm时，液晶分子长轴完全沿x轴方向排列，与入射波偏振方向的夹角为-45°，出射波偏振态转换为为右旋圆偏振态，激发的表面等离子体波在右侧开口同心环形结构中心处发生强聚焦，而在左侧中心处散焦，表面波的能量主要分布在右侧；器件在0.35thz~0.60thz宽带工作频段内，左右两侧表面波的能量分配范围为0~20db。

5、本发明的有益效果和优点是：

6、1.宽带太赫兹表面等离子体片上聚焦与能量主动分配器件的矩形金属孔具有多种几何尺寸，分别对应不同表面等离子体激励波长，保证表面波在较宽频率范围内被高效激发。该器件各圈环形子结构的半径满足相干相长的空间相位匹配条件，使器件能够在宽带范围内实现表面等离子体波的激发与聚焦。该器件的工作频段为0.35~0.60thz，相较于以往太赫兹表面等离子体器件，工作带宽得到了显著拓宽。

7、2.该器件利用左右镜像对称的两组环形结构，选择性地将左右旋圆偏振激励的表面等离子体波分别定向聚焦在左右两侧，较之传统单圆环聚焦或单侧半环聚焦的结构，该器件实现了同一器件对所有偏振分量的高效利用和正交偏振分量在片上的空间分离。

8、3.该器件集成了液晶层作为主动调控结构，通过外加偏置电场对入射线偏振态起到偏振转换的作用，从而对左右两侧定向聚焦的表面波实现主动开关调制和动态能量分配。

9、4.该器件工作电压较低、能耗小，对液晶层施加的外电场可调范围为0 ~ 12 v/mm时，器件左右两侧表面等离子体波的能量分配比例的动态调制率最高为20db。

10、5.该器件的结构化金属层采用离子溅射和激光直写加工工艺，具有成本较低、损耗低、简单高效等优点。

11、6.该器件具有主动可调、结构紧凑、片上集成的优点，对发展片上集成的太赫兹高速通信、信息处理和传感检测具有重要意义。