一种反射型宽带太赫兹极化转换器的制作方法

本发明属于太赫兹极化转换器技术，具体是一种反射型宽带太赫兹极化转换器。

背景技术：

太赫兹波在电磁波谱中位于微波到红外的过渡位置，频率范围覆盖了0.1thz到10thz。与其他波段的电磁波相比，太赫兹波具有非常重要的特征，显示了巨大的应用潜力。例如，太赫兹对于许多物质可以无损穿透，且太赫兹波的光子能量为毫电子伏特级，与x射线相比不会引起生物有害的电离反应，可以在安全检测等领域发挥作用：许多物质大分子的振动旋转频率以及宇宙的背景噪声等都在太赫兹波段，太赫兹技术的发展和应用对生物、天文等学科有着重要意义。此外，太赫兹波与微波相比，覆盖的带宽更宽，有望实现无线通信的突破性发展。太赫兹波频率很高，能够形成具有更高时间分辨率的飞秒级脉冲，有助于瞬时问题的研究。由于在过去相当长的时间里缺乏有效的太赫兹波产生和检测方法，太赫兹科技的发展受到很大的限制。随着科技的进步，太赫兹科学也越来越受到世界各国的关注，大量人力物力投入到了太赫兹科学的研究中。

极化是电磁波的重要特征，由电磁波传输时电场矢量的振荡行为来描述。当电磁波沿着波矢的方向向前传播时，随着时间的变化，电场矢量的末端所走过的轨迹为直线、圆、椭圆时，其对应的极化状态分别为线极化、圆极化、椭圆极化。在实际工作中，根据需要人们经常会对电磁波的极化特征进行检测和改变其极化状态。因此，电磁波的极化在天线、通讯系统、液晶显示系统等领域有许多重要的应用。传统的极化转换器主要是利用光栅结构、布儒斯特角、双折射效应、法拉第效应等来实现对电磁波的控制，上述方法通常存在转换效率低、厚度大、响应频带窄的缺点，限制了对电磁波实现调控的进一步发展。在太赫兹无线通信、太赫兹成像检测等太赫兹波系统中，对太赫兹波的极化状态进行控制非常关键。传统的方法是通过双折射率材料来改变电磁波的极化状态。然而在太赫兹波段，自然存在的材料的双折射指数非常小，并且天然材料的双折射指数几乎没有频散，这导致利用天然材料控制电磁波的极化状态只能在单频点处实现，大大限制了其的应用。

技术实现要素：

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种反射型宽带太赫兹极化转换器。本发明的技术方案如下：

一种反射型宽带太赫兹极化转换器，其由在同一水平面内周期性排列的m×m个极化转换单元组成，所述极化转换单元从下到上依次包括连续金属层、中间介质层和金属图案层；其中所述中间介质层用于和镂空圆盘组合对入射电磁波进行极化状态的调控，所述连续金属层用于获得反射波，所述金属图案层用于和中间介质层组合对入射太赫兹波形成谐振。

进一步的，所述金属图案层包括双开口谐振圆环和镂空圆盘，所述镂空圆盘设置于双开口谐振圆环中，所述双开口谐振圆环用于和镂空圆盘组合对入射电磁波进行极化状态的调控，所述镂空圆盘用于和双开口谐振圆环组合对入射电磁波进行极化状态的调控。

进一步的，所述镂空圆盘内设置有三个平行间隔设置的镂空矩形，用于提高极化转换器的极化转换率。

进一步的，所述的连续金属层厚度为0.1～1μm。

进一步的，所述的连续金属层厚度为0.2μm，金属材料为金、银、铜中的任一种。

进一步的，所述中间介质层采用聚酰亚胺、石英晶体、罗杰斯系列中的一种。

进一步的，所述中间介质层的介电常数为2.5～3.5，损耗正切为0.0027～0.27，其厚度为25～40μm。

进一步的，所述金属图案层的厚度为1～400nm。

进一步的，所述金属图案层外围双开口谐振环的外环半径为35～38μm，内环半径为29～32μm，开口间距为8～24μm；内部镂空金属圆盘半径为20～26μm。

进一步的，所述的每个极化转换单元的俯视图为正方形，其边长为70～100μm。本发明的优点及有益效果如下：

本发明将双开口谐振环和镂空金属圆盘相结合，使得极化转换器可以在宽的工作带宽上保持高的极化转换率从而解决了极化转换器的工作带宽窄、极化转换率不高的。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例提出的太赫兹极化转换器的三维单元结构示意图；

图2是本发明提出的太赫兹极化转换器的单元结构的俯视图；

图3是图1当x极化波入射时的同极化反射系数和交叉极化反射系数的仿真图；

图4是x极化线极化波入射时的极化转换率图；

图5是图1当y极化波入射时的同极化反射系数和交叉极化反射系数的仿真图；

图6是y极化线极化波入射时的极化转换率图；

图中：1.金属图案层；2.介质层；3.连续金属层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

本发明提供的一种反射型宽带太赫兹极化转换器，其结构如图1和图2所示，由单元结构周期性排列而成，其中单元结构为典型的三层结构，从下到上依次为连续金属层3、中间介质层2和金属图案层1；所述的金属图案层由双开口谐振圆环和镂空圆盘构成。

所述的金属图案层，是厚度为0.2μm，电导率为4.561×10⁷s/m的金层，外围双开口谐振环的外环半径为38μm，内环半径为32μm，开口间距为16μm；内部镂空金属圆盘半径为24μm，三个平行排列的镂空栅条长为28.0μm，宽为6.0μm，相邻镂空栅条之间距离为5.0μm。这些参数能够使得入射太赫兹波在较宽的频率上实现高的极化转换率，即实现工作带宽大，极化转换率高。所述的单元结构的周期长度为80μm。

所述的中间介质层，材料为rogersro4003，介电常数为3.38，损耗正切为0.0027，其厚度为30μm。

工作原理：当入射太赫兹波从图1所示的极化转换器垂直入射时，极化转换单元对入射电磁波形成谐振，从而改变了入射电磁波的极化状态。

当入射波为x极化向-z轴方向传播的线极化波，其入射波的电场表达式为该入射波经过极化转换器后的反射波电场为从反射波电场表达式可以看出当同极化反射系数rxx＝0时，反射波的电场可以表示为即产生x极化线极化波像y极化的线极化波的极化转换，其中下标i,r表示入射波和反射波，定义极化转换率

如图3所示，同极化反射系数rxx有三个极小值点，分别在0.6424，0.9364，1.3018thz处。在这些频点处，同极化反射系数rxx接近于0，交叉极化反射系数ryx达到峰值，x极化的入射波几乎完全转换为y极化的反射波。

如图4所示，在0.5840～1.3520thz频带范围内极化转换率pcr>0.8，此时x极化的入射波经过极化转换器大部分转换为y极化的反射波。

如图5所示，同极化反射系数ryy有三个极小值点，分别在0.6410，0.9364，1.3046thz处。在这些频点处，同极化反射系数ryy接近于0，交叉极化反射系数rxy达到峰值，y极化的入射波几乎完全转换为x极化的反射波。

如图6所示，在0.5907～1.3508thz频带范围内极化转换率pcr>0.8，此时y极化的入射波经过极化转换器大部分转换为x极化的反射波。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。