太赫兹波束扫描超表面器件及波束扫描天线、系统和方法

1.本申请涉及太赫兹光束动态调控的技术领域，尤其是涉及一种太赫兹波束扫描超表面器件及波束扫描天线、系统和方法。


背景技术：

2.太赫兹波段通常是指0.1～10thz频率范围内的电磁波，该波段介于红外与微波波段之间。因其独特的光谱特性，太赫兹波在天体物理学、通讯、材料、化学、国防安全、生物医学等领域有着广泛应用。
3.然而，太赫兹频段超过了电学放大器和混频器中所必不可少的半导体材料的截止频率，导致当前广泛采用的射频电子元件不再兼容太赫兹波段。因此，需要自由、动态地控制太赫兹波前，以实现对太赫兹光束方向的精确控制和定位。
4.目前，由于缺乏合适的亚微米尺寸的可调谐元件，导致在微波频率下工作的现有波束扫描方法不能在太赫兹频段很好地工作。


技术实现要素：

5.为了实现对太赫兹光束方向的精确控制与定位，本申请提供一种太赫兹波束扫描超表面器件及波束扫描天线、系统和方法。
6.第一方面，本申请提供一种太赫兹波束扫描超表面器件，采用如下的技术方案：
7.一种太赫兹波束扫描超表面器件，包括两层级联的超表面，每层所述超表面均由多个超周期按照周期性排列构成；
8.每个所述超周期均由十个人工原子一字排列构成；每个所述人工原子均由顶部硅柱、硅衬底和底部硅柱依次无缝层叠构成；所述顶部硅柱和所述底部硅柱的截面形状均为正方形，所述硅衬底的形状为正方形；所述人工原子的透射相位为且在工作频率0.7thz处，相邻两个所述人工原子的相位差均为π/5；
9.所述两层级联的超表面互相平行设置，且所述两层级联的超表面中的一层超表面的底部硅柱与另一层超表面的顶部硅柱相靠近；
10.所述两层级联的超表面的相远离的两个表面分别固定一旋转机构，所述旋转机构带动对应的超表面旋转，且所述两层级联的超表面的旋转轴线重合。
11.可选的，对于同一所述超周期，所述十个人工原子的顶部硅柱的截面尺寸按照排列顺序递增或递减且所有顶部硅柱的高度均相同，所有底部硅柱的几何尺寸均相同。
12.可选的，所述旋转机构为金属转台，所述超表面贴附于所述金属转台。
13.可选的，在极化波和极化波的正入射下,固定所述硅衬底的边长p和厚度h2，利用时域有限差分法模拟所述人工原子随所述底部硅柱的截面边长ω
x
和高度h3变化的相位差δφ
i
和透射系数幅值根据模拟得到的相图确定具有高透射性能及预期的相位差
的底部硅柱的截面边长ω
x
和高度h3。
14.可选的，所述硅衬底的边长p＝130μm，高度h2＝110μm。
15.可选的，在极化波和极化波的正入射下，当δφ
i
＝0时，固定此时的底部硅柱的截面边长ω
x
和高度h3，利用时域有限差分法模拟计算所述人工原子随所述顶部硅柱的截面边长l和高度h1变化的平均相位和透射系数幅值根据模拟得到的相图确定具有预期的平均相位的顶部硅柱的截面边长l和高度h1。
16.可选的，所述预期的平均相位的值可覆盖2π的范围。
17.第二方面，本申请提供一种应用如第一方面所述的太赫兹波束扫描超表面器件的波束扫描天线。
18.第三方面，本申请提供一种应用如第一方面所述的太赫兹波束扫描超表面器件的波束扫描系统，采用如下的技术方案：
19.一种波束扫描系统，包括所述太赫兹波束扫描超表面器件和太赫兹时域光谱系统；
20.所述太赫兹时域光谱系统包括依次设置的发射器、第一透镜、四分之一波片、第二透镜和接收器，所述太赫兹波束扫描超表面器件设置于所述四分之一波片和所述第二透镜之间；每层所述超表面的顶部硅柱相对于底部硅柱靠近所述第二透镜，每层所述超表面的底部硅柱相对于顶部硅柱靠近所述四分之一波片。
21.第四方面，本申请提供一种基于第三方面所述的波束扫描系统的波束扫描方法，采用如下的技术方案：
22.一种波束扫描方法，包括：
23.使每个所述超表面以不同的旋转速度旋转；
24.所述发射器发射太赫兹光束，所述太赫兹光束依次透射所述第一透镜、所述四分之一波片、所述太赫兹波束扫描超表面器件和所述第二透镜，由所述接收器接收；
25.测量得到入射所述太赫兹波束扫描超表面器件的太赫兹光束在不同时刻的角功率分布，入射的太赫兹光束被有效地重新定向到一个随时间变化的偏离法线的方向。
26.通过采用上述技术方案，由两个显示不同相位分布的全硅透射超表面组成，以不同速度旋转级联超表面的不同层(每个展示特定阶段)，可以动态地改变整个器件的有效琼斯矩阵(jones
‑
matrix)属性,可以有效地将沿法线入射的太赫兹光束重定向到偏离法线的方向，并在一个较大的实心角度范围内扫描，从而对调控太赫兹光束波前有卓越的效果；并且，通过实验和模拟显示的良好一致性，验证了该太赫兹波束扫描超表面器件的动态波束转向能力，为实现太赫兹光束的动态调控铺平道路，可以更好地应用于太赫兹雷达、生物化学传感和成像等诸多领域。
附图说明
27.图1是本申请实施例的太赫兹波束扫描超表面器件的xz平面的结构示意图。
28.图2是本申请实施例的太赫兹波束扫描超表面器件的立体结构示意图。
29.图3(a)是本申请实施例的超表面的设置顶部硅柱的一侧表面的平面结构示意图。
30.图3(b)是本申请实施例的超表面的设置底部硅柱的一侧表面的平面结构示意图。
31.图4是本申请实施例的人工原子的结构示意图。
32.图5(a)是本申请实施例的底部硅柱的相位差δφ
i
与底部硅柱的截面边长ω
x
和高度h3的关系相图。
33.图5(b)是本申请实施例的底部硅柱的透射系数幅值与底部硅柱的截面边长ω
x
和高度h3的关系相图。
34.图5(c)是本申请实施例的顶部硅柱的平均相位与顶部硅柱的截面边长l和高度h1的关系相图。
35.图5(d)是本申请实施例的顶部硅柱的透射系数幅值与顶部硅柱的截面边长l和高度h1的关系相图。
36.图6(a)是本申请实施例的偏折角θ与转角α1(t)和α2(t)的关系相图。
37.图6(b)是本申请实施例的方位角与转角α1(t)和α2(t)的关系相图。
38.图6(c)是本申请实施例的扫描路径pathl中偏折角θ和方位角随时间变化的趋势图。
39.图6(d)是本申请实施例的扫描路径pathll中偏折角θ和方位角随时间变化的趋势图。
40.图7是本申请实施例的波束扫描系统的结构示意图。
41.图8是本申请实施例的波束扫描方法的流程示意图。
42.图9是本申请实施例的测试光路图。
43.图10是本申请实施例的在面上测得的不同时刻的功率分布图。
44.图11是本申请实施例的相应时刻的全波仿真远场散射功率分布图。
45.图12是本申请实施例的k空间里pathl和pathll的演示图；其中，实线是仿真结果，星标是实验结果，上部区域为波束扫描的空间范围。
46.附图标记说明：10、太赫兹波束扫描超表面器件；11、超表面；110、超周期；111、人工原子；1111、顶部硅柱；1112、硅衬底；1113、底部硅柱；12、旋转机构；20、太赫兹时域光谱系统；201、发射器；202、第一透镜；203、四分之一波片；204、第二透镜；205、接收器。
具体实施方式
47.为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
48.图1为本实施例提供的一种太赫兹波束扫描超表面器件10的结构示意图。如图1所示，太赫兹波束扫描超表面器件10由两层相同的超表面11级联而成。两层超表面11相远离的两个表面11分别固定连接一旋转机构12，旋转机构12带动对应的超表面11按照一定的旋转速度旋转，且两层超表面11的旋转轴线重合。
49.可选的，旋转机构12为圆形的电动金属转台。图2示出了应用电动金属转台的太赫兹波束扫描超表面器件10的立体结构示意图，图2仅为表明超表面11与旋转机构12的位置关系，因此未示出超表面11的具体结构，仅作示意用。该电动金属转台包括转盘121以及用于固定转盘121位置的固定支架(图中未示出)，超表面11贴附于转盘121的一个表面上，两层超表面11的相对位置可通过对应的转盘121的位置进行调整与固定。
50.本实施例中，两层超表面11互相平行设置，并相距一定距离h4，h4＝[200μm，1000μm]，优选的，h4＝600μm。
[0051]
图3(a)、图3(b)分别示出了每层超表面11的两侧表面的结构示意图。如图3(a)、图3(b)所示，每层超表面11均由多个超周期110按照周期性排列构成；每个超周期110均由十个人工原子111一字排列构成，人工原子111的透射相位为且在工作频率0.7thz处，相邻两个人工原子111的相位差均为π/5。
[0052]
如图1和图4所示，每个人工原子111均包括一正方形的硅衬底1112，硅衬底1112的一侧沉积有截面形状为正方形的顶部硅柱1111，另一侧沉积有截面形状为正方形的底部硅柱1113。
[0053]
如图3(a)所示，对于同一超周期110，按照排列顺序，十个人工原子111的顶部硅柱1111的截面尺寸递增或递减，且顶部硅柱1111的高度均相同；如图3(b)所示，十个人工原子111的底部硅柱1113的几何尺寸均相同。
[0054]
如图1所示，两层级联的超表面11中的一层超表面11的底部硅柱1113与另一层超表面11的顶部硅柱1111相对设置，且互不接触。
[0055]
人工原子111是在太赫兹波段具有高透效率的全介质型人工原子，其可以产生覆盖一个很广的范围内产生平均相位和相位差δφ
i
的值，可帮助实现控制波前的可设计功能的超表面器件。
[0056]
由于人工原子111所采用的顶部硅柱1111、底部硅柱1113均为正方形截面，都是各向同性的形状，因此无需控制入射波的局部极化。同时，这些人工原子111的顶部硅柱1111的横向尺寸变化显著，产生不同的传输相位，用来积累足够多的透射相位来生成需要的平均相位而底部硅柱1111则主要负责生成所需要的相位差δφ
i
。利用该人工原子111制备的太赫兹波束扫描超表面器件10，当两层超表面11以不同旋转速度旋转时，可以对入射的太赫兹波的光束进行重新定向。
[0057]
为使太赫兹波束扫描超表面器件10具有高透射性能以及覆盖范围广的波束转向能力，需要对人工原子111的顶部硅柱1111和底部硅柱1113的几何尺寸进行实验设计。
[0058]
首先，在极化波和极化波的正入射下,固定硅衬底1112的边长p＝130μm和厚度h2＝110μm，利用时域有限差分法模拟人工原子111随底部硅柱1113的截面边长ω
x
和高度h3变化的相位差δφ
i
和透射系数幅值其中，根据模拟得到如图5(a)和图5(b)所示的两个相图，可通过这两个相图确定具有高透射性能及预期的相位差的底部硅柱1113的截面边长ω
x
和高度h3。
[0059]
然后，当δφ
i
＝0时，固定此时的底部硅柱1113的截面边长ω
x
和高度h3，利用时域有限差分法模拟计算人工原子111随顶部硅柱1111的截面边长l和高度h1变化的平均相位和透射系数幅值根据模拟得到两个如图5(c)和图5(d)所示的相图，发现在h1＝240μm时，随着l的改变，平均相位的值能够覆盖2π的范围。
[0060]
为使正常入射的太赫兹波偏折到一个与时间相关的偏离法线的方向，首先，本实施例构建了两个相同的透射型超表面11。超表面11的相位分布设置为线性梯度相位，根据广义斯涅耳折射定律，通过在光入射界面引入相位突变，可以改变光的传播路径。该超表面的相位突变由相位差依次线性叠加的单元结构产生，因此可以通过改变相位梯度来调控波前。
[0061]
每个超表面11在两种极化波入射下均具有以下线性梯度相位分布：
[0062][0063]
式中，为极化波入射第i层超表面11的相位，为极化波入射第i层超表面11的相位；ξ
i
为第i层超表面11的梯度，ξ0＝0.33k0，i＝1,2。
[0064]
然后，将这两个超表面11级联起来作为一个超表面器件，假设两层超表面11的转角分别为α1(t)和α2(t)，计算整个超表面器件的琼斯矩阵，公式如下：
[0065][0066]
进而发现，该超表面器件的极化操控算子m(r,t)≡l，这意味着该超表面器件可以维持太赫兹透射波的局域极化，也意味着该超表面器件可以对任意极化的太赫兹入射波工作。
[0067]
另外，由公式(2)进一步揭示，透射波得到一个随时间变化的切向波矢量k
||
(t)，表示一个正入射波在通过该超表面器件后可以被重新定向到一个与时间相关的偏离法线的方向
[0068][0069]
从公式(3)可以看出，透射波的偏折角θ和方位角与每层超表面的转角α1和α2有着特殊的函数关系，将该函数关系通过相图的方式展现在图6(a)和图6(b)中。从图6(a)、图6(b)可以明显看出，通过改变两个旋转角度的时间函数α
i
(t)，可以有效地控制随时间变化的角度θ和从而使得透射波能在一个特定的实心角度范围内进行扫描，其中该扫描范围
如下式：
[0070][0071]
公式(4)中，偏折角度的最大值θ
max
＝2arc sin(2ξ0/k0)＝41.2
°
。
[0072]
为了展示该超表面器件的波束扫描效果，首先考虑将上下层超表面的转速定为{ω1＝
‑
π/(2t),ω2＝π/(2t)}。然后根据公式(3)中的函数关系，可以计算出偏折角θ的范围，它是随着时间t的变化在[0
°
,41.2
°
]内变化，此时的出射波的方位角度始终等于0，将这条扫描路径定为pathl，并在图6(a)、图6(b)中示出；图6(c)展示了pathl中两个角度θ和随时间变化的趋势。
[0073]
然后，将每层超表面的转动速度设置为{ω1＝π/(8t),ω2＝3π/(4t)}，重新分析新的扫描路径pathll，pathll是比pathl更复杂的扫描路径，在图6(a)、图6(b)中示出，图6(d)展示了pathll中两个角度θ和随时间变化的趋势。
[0074]
由此可见，可以通过给每层超表面11设置特定的旋转速度，从而能够使得该超表面器件呈现所需要的波束扫描功能。
[0075]
下面通过实验验证太赫兹波束扫描超表面器件10在两层超表面11以不同速度旋转时的波束转向能力。
[0076]
图7为本实施例提供的一种波束扫描系统的结构示意图。如图7所示，该波束扫描系统包括太赫兹波束扫描超表面器件10和太赫兹时域光谱系统20。
[0077]
其中，太赫兹时域光谱系统20包括依次设置的发射器201、第一透镜202、四分之一波片203、第二透镜204和接收器205，太赫兹波束扫描超表面器件10设置于四分之一波片203和第二透镜204之间。
[0078]
每层超表面11的顶部硅柱1111相对于底部硅柱1113靠近第二透镜204，每层超表面11的底部硅柱1113相对于顶部硅柱1111靠近四分之一波片203，也就是说，发射器201发射的太赫兹光束先透射每层超表面11的底部硅柱1113，再透射该层超表面11的顶部硅柱1111。
[0079]
利用太赫兹时域光谱系统20对通过太赫兹波束扫描超表面器件10的太赫兹光束在不同时刻的角功率分布进行测量。
[0080]
图8为本实施例提供的一种基于上述波束扫描系统的波束扫描方法的流程示意图。如图8所示，该方法的主要流程描述如下(步骤s301～s303)：
[0081]
步骤s301，使每个超表面11以不同的旋转速度旋转；
[0082]
步骤s302，发射器201发射太赫兹光束，太赫兹光束依次透射第一透镜202、四分之一波片203、太赫兹波束扫描超表面器件10和第二透镜204，由接收器205接收；
[0083]
步骤s303，测量得到入射太赫兹波束扫描超表面器件10的太赫兹光束在不同时刻的角功率分布，入射的太赫兹光束被有效地重新定向到一个随时间变化的偏离法线的方向。
[0084]
本实施例中，使两层超表面11以旋转速度{ω1＝
‑
π/(2t),ω2＝π/(2t)}进行旋转，此时的出射波束的扫描路径应是图5(c)中展示的pathl。测试时，使用的测试设备是太赫兹时域光谱系统20的远场部分，将入射的太赫兹波正照到太赫兹时域光谱系统20上，测试光
路如图9所示。
[0085]
分别在[t＝0,(1/3)t,(2/3)t,1t]这四个时刻对透射波的角度功率分布进行测试。图10示出了在面上测得的不同时刻的功率分布，可以观察到偏折角θ从41.2
°
逐渐变化到0
°
，说明太赫兹波束扫描超表面器件10可以有效地将入射的太赫兹波偏折到偏离法线的方向。
[0086]
此外，对太赫兹波束扫描超表面器件10进行全波模拟，得到与上述太赫兹时域光谱系统20的测量实验对应时刻的远场散射功率分布，模拟结果见图11。结合图10和图11，将该模拟结果与太赫兹时域光谱系统20的测量结果进行一致性比较。从实验和模拟的散射图来看，可以确定在不同时刻透射波的偏折角度θ和方位角度然后可以将随着时间t变化的θ和在k空间里标注出来，如图12中的pathl。显然，无论是实验值还是模拟值，都与理论预测值非常吻合(即图6(c)中的pathl)，呈现良好的一致性，进一步验证了太赫兹波束扫描超表面器件10预期的波束扫描能力即波束转向效应。
[0087]
为了进一步地验证太赫兹波束扫描超表面器件10的波束转向效应，还可继续测试太赫兹波束扫描超表面器件10在另一组旋转速度{ω1＝π/(8t),ω2＝3π/(4t)}下的波束扫描性能。在这样的转速下，随着时间变化，太赫兹波束扫描超表面器件10可以将入射波偏折到如图6(d)中展示的pathll上。
[0088]
从测试和模拟结果中可以确定在不同时刻[t＝0,(1/4)t,(1/2)t,(3/4)t,1t]下经过太赫兹波束扫描超表面器件10的透射波的方向(用θ和表示)，并且可在图12中的k空间球上描绘出来，即pathll。测试和模拟结果都显示，太赫兹波束扫描超表面器件10的工作效率约为50％，可见，理论、模拟和测试结果之间的良好一致性明确地证明了太赫兹波束扫描超表面器件10的波束扫描功能。
[0089]
本实施例还公开一种波束扫描天线，该波束扫描天线由上述低损耗、低成本、易于加工的级联超表面结构构造而成，通过适当的相位分布构建，可以有效地改变太赫兹波的传播方向，实现更大扫描范围的覆盖，在太赫兹波段实现任意、快速、精准的波前调制，进而减小天线体积并降低生产成本，该波束扫描天线可用于太赫兹雷达、生物化学传感和成像等诸多领域。
[0090]
另外，需要理解的是，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
[0091]
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应涵盖于本申请的保护范围之内。