一種基於黑磷的超寬帶極化可重構圓極化器的製作方法

2023-06-13 22:34:36

本發明涉及電磁波極化器技術領域，具體涉及一種基於黑磷的超寬帶極化可重構圓極化器。

背景技術：

電磁波的極化轉換，尤其是將線極化波轉換為圓極化波在實際應用中極具重要意義。傳統的極化器結構複雜，厚度較厚，十分不利於實際應用。而且效率低、帶寬窄極大地限制了其應用。超材料的研究與發展使得小型化、高效率、寬帶寬的極化器設計成為可能。超材料是由亞波長的結構周期或非周期排列而成的人工複合材料。通過改變單元結構的幾何參數滿足所需的電磁參數，進而能調控電磁波的極化狀態。

不同於其他二維材料，黑磷的原子排布由於sp3雜化形成脊狀的褶皺六邊形蜂窩結構，這導致了其面內各向異性的電光特性。而黑磷的面內各向異性可由笛卡爾坐標系表示，其中x方向(或扶手椅方向)、y方向(或鋸齒方向)分別和脊垂直、平行。與石墨烯和過渡金屬硫化物相比，黑磷擁有直接帶隙。二維黑磷的直接帶隙由其厚度決定，單層黑磷的帶隙約為2ev。黑磷會對中紅外、遠紅外，甚至可見光波段的電磁波產生響應，使得黑磷在許多器件設計中存在潛在應用。目前尚未見有基於黑磷在極化器上的相關研究報導。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種基於黑磷的超寬帶極化可重構圓極化器，該極化器能在寬帶範圍內將線極化波轉換為圓極化波，而且結構簡單，極化可重構。

實現本發明目的的技術方案是：

一種基於黑磷的超寬帶極化可重構圓極化器，由在同一水平面內周期性排列的m×n個單元結構組成；所述的單元結構包括依次堆疊的保護層、黑磷層、隔離介質層、中間介質層、全反射面層；所述的黑磷層由n層黑磷片層組成，黑磷片層與片層之間由隔離介質層隔開，所述的保護層用於防止黑磷與空氣或水接觸，起到保護作用。

所述的單元結構，周期長度p為1-20um。

所述的黑磷層，由n層黑磷片層組成，n為1-80。

所述的黑磷片層，厚度為1nm，由四個形狀相同的黑磷矩形結構按90°旋轉對稱形式排列而成。

所述的黑磷矩形結構，矩形的長l為0.2-15um，寬w為0.2-15um，矩形邊界與單元結構的邊界距離s為0.05-5um。

所述的n層黑磷片層，分為偶數層和奇數層；奇數層的黑磷片層與偶數層的黑磷片層關於45°或135°對角線對稱。

所述的隔離介質層，厚度為0.01-0.05μm，介電常數為1.05-2.25。

所述的中間介質層，厚度為2-10μm，介電常數為2.25-3.5。

有益效果：本發明提供的一種基於黑磷的超寬帶極化可重構圓極化器，開啟了基於黑磷的圓極化器的設計，黑磷超材料的各向異性，使得線-圓極化轉換成為可能；而黑磷的面內各向異性也可能對線-圓極化轉換產生影響；同時，黑磷的單層原子的厚度有利於實現圓極化器的小型化。

附圖說明

圖1為本發明去掉保護層的三維結構示意圖；

圖2為本發明單元結構側視圖；

圖3為本發明奇數層黑磷片層結構示意圖；

圖4為本發明偶數層黑磷片層結構示意圖；

圖5為本發明實施例中的反射波兩垂直分量的反射係數的幅度和相位比較圖；

圖6為本發明實施例的u極化線極化波入射下的極化率；

圖7為本發明實施例的v極化線極化波入射下的極化率；

圖8為本發明實施例的軸比圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例為本發明做進一步闡述，但不是對本發明的限定。

實施例：

如圖1、圖2所示，一種基於黑磷的超寬帶極化可重構圓極化器，由在同一水平面內周期性排列的m×n個單元結構組成，其中m＝n；所述的單元結構包括依次堆疊的保護層、黑磷層、隔離介質層、中間介質層、全反射面層；所述的黑磷層由36層黑磷片層組成，黑磷片層與片層之間由隔離介質層隔開，所述的保護層用於防止黑磷與空氣或水接觸，起到保護作用。

如圖3、圖4所示，所述的單元結構，周期長度p為7.5um。

所述的黑磷片層，厚度為1nm，由四個形狀相同的黑磷矩形結構按90°旋轉對稱形式排列而成。

所述的黑磷矩形結構，矩形的長l為4.2um，寬w為2.8um，矩形邊界與單元結構的邊界距離s為0.1um。

所述的36層黑磷片層，分為偶數層和奇數層；奇數層的黑磷片層與偶數層的黑磷片層關於45°或135°對角線對稱。

所述的隔離介質層，厚度為0.05μm，介電常數為1.05。

所述的中間介質層，厚度為3.5μm，介電常數為2.25。

當入射波為u極化(45°極化，相對於x軸逆時針偏轉45°)、向-z軸方向傳播的線極化波，則反射波為由於黑磷的各向異性使得反射波u、v分量的反射係數的幅度和相位不同。當的反射係數的幅度ruu、rvu相等，相位差(n為奇數)時，產生線-圓極化轉換。其中ruu＝|eur/eui|、rvu＝|evr/eui|分別表示u極化到u極化、u極化到v極化反射係數的幅度，φuu、φvu為對應的相位，下標i、r分別表示入射波和反射波，下標u、v分別表示波的極化方向。

如圖5所示，在11.74thz-18.14thz頻段內，反射波兩垂直分量的反射係數幅值ruu、rvu近似相等，相位近似相差-90°或270°，實現了線極化到右旋圓極化的轉換。

引入了斯託克斯參數描述該極化器的極化轉換性能：

i＝|ruu|2+|rvu|2(1)

q＝|ruu|2-|rvu|2(2)

u＝2|ruu||rvu|cosδφ(3)

v＝2|ruu||rvu|sinδφ(4)

上述公式(1)、(2)、(3)、(4)中：i為波的總強度，q為u極化波分量，u為y極化波分量，v右旋極化波分量。

定義極化率為：

上述公式(5)中，e表徵極化器的圓極化轉換能力,當e＝1時，產生左旋圓極化波；當e＝-1時，產生右旋圓極化波。

此外，定義軸比ar＝10log10(tanβ)，其中α為橢圓傾斜角，β為極化度角。若ar<3db，則滿足圓極化工程要求。

如圖6所示，在11.74thz-18.14thz頻段內e均在-0.8以下，近似為-1，為右旋圓極化。

如圖7所示，v極化線極化波入射下，在11.74thz-18.14thz頻段內e均在0.8以上，近似為1，為左旋圓極化。只需改變入射波的極化方向而不需要改變結構就能實現不同旋向的線-圓極化轉換，從而該極化器具有極化可重構特性。

如圖8所示，在11.74thz-18.14thz頻段內ar<3db，滿足圓極化工程要求。