一種多功能柔性動態偏振調製器件的製作方法

2023-05-30 00:32:17 1

本發明屬於偏振調製技術領域，尤其涉及一種多功能柔性動態偏振調製器件。

背景技術：

傳統偏振調製技術主要通過各向異性介質或者漸變波導等器件實現，具有體積大、工作頻段單一，且難以實現動態偏振調控等缺陷。近些年出現的人工結構材料，其由人為設計的亞波長單元結構陣列化排布而成，對電磁波具有異常強大的調控能力，已經普遍用於實現對電磁波輻射特性、吸收特性、偏振調製特性等的人為操控。雖然亞波長結構具有尺寸小、厚度薄、能量利用效率高、工作頻點、電磁調控能力可任意設計等諸多優勢，但是利用亞波長結構實現對電磁波的動態調控仍舊是本領域的一大難點。由於亞波長結構的電磁調製能力主要取決於其單元結構形式和結構尺寸，因此實現動態電磁調控即需要改變其結構形式或者單元結構的尺寸。但是傳統亞波長結構一般是由固態金屬或者介質構造而成，一經加工完成，其結構形式和尺寸均難以改變。

近幾年，有研究學者提出在亞波長結構的單元中引入半導體材料或元件，利用半導體材料在外加電壓的控制下改變自身材料特性的方法，間接調控亞波長結構的單元形式，從而動態調節其電磁調製功能。但是這些加載半導體材料或元件均需要在硬質基底上才能製作，為人工結構材料在裝備的共形設計帶來了一定的限制。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是，針對現有偏振調製器件存在的不足，提供一種可以實現對電磁波偏振態動態調控的柔性偏振調製器件。

本發明解決其技術問題採用以下技術方案：

一種多功能柔性動態偏振調製器件，從上至下依次包括：頂層金屬亞波長結構陣列、介質層和底層金屬亞波長結構陣列，其中，

(1)所述頂層金屬亞波長結構陣列為在x方向和y方向周期排列的離散的各向異性結構。

(2)所述介質層為在工作波段透明的柔性可拉伸變形的介質材料，所述變形為雙向、可逆的變形，所述介質層在二維平面內可沿各個方向拉伸；

(3)所述底層金屬亞波長結構陣列為在x方向和y方向周期排列的離散的各向異性結構，在x方向或y方向拉伸，所述的各向異性結構在拉伸方向非連續，在不拉伸的方向是連續的。所述底層金屬亞波長結構陣列具有頻率選擇特性，在低頻處對y偏振電磁波具有高效反射特性，可作為反射式偏振調製器件的反射面；而其在高頻處具有高效透射特性；

該偏振調製器件具有在微波段低頻處和太赫茲波段反射式偏振調控以及微波段高頻處透射式偏振調控功能。當作為反射式偏振調製器件時，該器件可將線偏振轉換為交叉偏振，偏振調製諧振頻點移動範圍大於20％；當作為透射式偏振調製器件時，該器件可將線偏振轉換為圓偏振，偏振調製諧振頻點移動範圍不小於3％。其中，所述低頻為頻率範圍在C-Ku波段，所述高頻為頻率範圍在Ka波段；高效反射指反射率可接近100％，高效透射指透射率可接近100％。

其中，所述柔性可拉伸的介質材料包括：聚二甲基矽氧烷(PDMS)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚丙烯、聚對二甲苯。

其中，所述介質層的厚度為可輕鬆拉伸變形同時能保證拉伸過程中結構的完整，厚度約為：0.5-3mm。

其中，頂層和底層金屬亞波長結構所用金屬材料可相同或不同，所用金屬所用金屬的電導率大於104。

其中，所述器件可沿底層金屬亞波長結構非連續的方向拉伸，使器件整體在該方向延展，改變頂層和底層金屬亞波長結構的在該方向的周期，而同時保證另一個方向上器件不發生形變。

其中，所述器件適用於微波、太赫茲波段。

與現有技術相比的，本發明的有益效果為：本發明可實現低頻諧振點處將入射線偏振電磁波轉換為交叉偏振，而在高頻諧振點處可將入射線偏振波轉換為圓偏振波並實現高效率透射。通過外力拉伸器件，改變其結構面形，可動態調節偏振調製諧振頻點，頻率調節範圍大於20％。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖；

圖2為本發明在微波段低頻處反射波的主偏振和交叉偏振態的反射率曲線，其中圖2(a)為未拉伸時的反射率曲線，圖2(b)為拉伸後的反射率曲線；

圖3為本發明在微波段高頻處透射波的主偏振和交叉偏振的透射率曲線，其中圖3(a)為未拉伸時的透射率曲線，圖3(b)為拉伸後的透射率曲線；

圖4為本發明在太赫茲波段反射波的線偏振和圓偏振的反射率曲線，其中圖4(a)為未拉伸時的反射率曲線，圖4(b)為拉伸後的反射率曲線。

附圖標記含義為：

1是頂層金屬亞波長結構陣列；

2是柔性可拉伸的介質層；

3是底層金屬亞波長結構陣列；

4-1是拉力；

4-2是拉力。

具體實施方式

以下結合附圖，對本發明的實施進行詳細說明，但本發明的保護範圍並不僅限於下面的實施例，下面的具體實施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，應包括權利要求書中的全部內容；而且本領域技術人員從以下的一個實施例即可實現權力要求書中的全部內容，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明的宗旨和權利要求所保護的範圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬於本發明的保護之內。

實施例1微波段的動態偏振調製功能

如圖1所示為本發明一種多功能柔性動態偏振調製器件，該偏振調製器件包括：頂層「工」字形金亞波長結構陣列，底層金線結構陣列，以及中間層聚二甲基矽氧烷(PDMS)。其中，頂層「工」字形金屬Au亞波長結構的特徵尺寸為l＝7mm，w＝1mm，d＝5mm，t＝2.7mm，x方向和y方向的周期px＝py＝8mm；底層金屬線條數設計為兩條；中間層PDMS在微波波段介電常數為1.96。結構形式上看，頂層金屬Au亞波長結構具有明顯的各向異性，因此可以調節兩個正交方向上反射電磁波的相位差。

將一束電場方向與x軸和y軸夾角為45°的電磁波沿著-z方向正入射到該人工結構材料表面時，其可分解為兩個分別沿著x方向和y方向的振幅和相位均相等的正交電場，這兩個正交電場分別受到頂層和底層金屬結構的反射調製，產生180°的相位差，同時保持反射率接近100％。反射電場在反射面疊加，產生於入射電磁波偏振態正交的交叉偏振電磁波。

如圖2(a)所示為未拉伸時反射波的主偏振和交叉偏振態的反射率曲線。參見圖2(a)，反射場中交叉偏振態的反射率在8.3GHz處達到峰值，接近1；與此同時，主偏振態的反射率接近0，偏振轉換效率接近100％。表明該器件在未拉伸狀態下具有偏振轉換效果，可將入射的線偏振電磁波反射為其交叉偏振態的電磁波。

接下來對本發明的偏振調製器件在x方向施加拉力進行拉伸，在拉伸狀態下的偏振調製功能如圖2(b)所示，保持入射電磁波偏振態不變的情況下，不同拉伸比例對應的主偏振和交叉偏振的反射率極小值和極大值對應的諧振頻點隨拉伸比例s的增加而向高頻移動。當拉伸比例s分別為1.1、1.3和1.5時，對應的諧振頻點分別為8.6GHz、9.15GHz和10GHz，與未拉伸狀態的諧振頻點相比，該器件在拉伸比例為1.5時，其諧振頻點的移動範圍超過20％。

由該器件頂層和底層金屬結構的離散化的結構形式可知，在微波段高頻電磁波可透過該結構。依然以電場方向與x軸和y軸均成45°的線偏振電磁波沿z方向正入射到該亞波長結構上，出射場中x偏振和y偏振分量的振幅相同，相位相差90°，即將入射的線偏振電磁波轉換成為圓偏振電磁波。出射場的左旋圓偏振和右旋圓偏振透過率曲線如圖3(a)所示，在未拉伸狀態下，在25.1GHz處，出射電磁波中左旋圓偏振分量的透過率達到0.95，而右旋圓偏振分量的透過率接近0，證明在該諧振點處入射的線偏振波被完全轉換為左旋圓偏振波。

與低頻波段的反射式偏振調控不同，在高頻段的透射式圓偏振調控，其諧振頻點隨結構的拉伸變化並不明顯，如圖3(b)所示，當拉伸比例s增加到1.3時，其諧振頻點向低頻移動至24.35GHz，其變化範圍僅為3％。這種諧振頻點的穩定性可保證實際通信應用中系統的穩定性。

實施例2太赫茲波段的動態偏振調製功能

基於圖1所示的工作在微波波段的柔性偏振動態調製器件，通過縮放其單元結構尺寸參數，可將其工作頻點由微波波段提升至太赫茲波段。其中，頂層「工」字形金屬亞波長結構的幾何尺寸為：l＝1.6μm,w＝0.3μm,d＝1.1μm,厚度t＝9μm，周期px＝py＝2μm。為提高其反射效率，將單元結構底層金屬線條數由兩條增加到三條。

線偏振波入射情況下，該結構在27.2THz將入射的線偏振波完全轉換為交叉線偏振波，反射率曲線如圖4(a)所示。當在x方向對亞波長結構施加外力，將亞波長結構在x方向上拉伸時，亞波長結構的偏振調製諧振頻點同樣發生移動。當拉伸比例s分別為1.2和1.4時，對應的諧振頻點分別為32THz和37THz，如圖4(b)所示，對應的頻率移動範圍達到36％。

以上具體實施例對本發明的實施方式進行闡述，只是為了幫助理解本發明，不應對本發明的權利要求所保護的範圍有所限制。