一种基于四周期超构表面的偏振不敏感型太赫兹窄带滤波器件

本发明涉及太赫兹滤波器件的，尤其涉及一种太赫兹窄带滤波器件。

背景技术：

1、太赫兹波通常指波长范围在30~3000μm之间、频率范围在0.1~10 thz之间的电磁波。由于在电磁波谱中恰好处于低频红外和高频毫米波之间的电子学向光子学过渡区域，太赫兹波兼具微波与光波的双重物理特性。凭借通信带宽高、对非极性材料穿透性强等独特优势，特别是因为生物化学分子的化学键旋转和振动模式在太赫兹波段具有特有的指纹吸收光谱，太赫兹技术在宽带无线通信、高分辨率成像雷达以及材料无损检测等领域展现出巨大的应用潜力。然而，这一特殊频段也限制了传统微波和光电子器件的直接应用。因此，深入研究太赫兹波段电磁场与物质的相互作用，突破现有技术瓶颈，研制出高性能且实用化的功能器件，是当前该领域的核心挑战。

2、为了满足上述应用需求，二维超表面（metasurface）作为一种亚波长厚度的人工层状复合结构，提供了一种理想的平台。相比于传统的三维超材料，超表面由单层或少数几层微纳人工结构单元构成，不仅大幅降低了器件的物理厚度与电磁损耗，还显著提升了系统的集成度。通过灵活调控超表面单元的几何形状、尺寸、取向及排列方式，能够实现对电磁波振幅、相位和偏振等参量的精确操控，现已成为实现太赫兹功能器件的重要技术平台之一。

3、近年来，以聚酰亚胺（polyimide, pi）为代表的柔性基底材料，因具备优异的机械柔韧性、卓越的热稳定性以及良好的抗化学腐蚀能力，为太赫兹器件提供了全新的物质载体。相较于传统的硬质基底（如硅或石英），这类柔性介质能够较好地适应复杂曲面，并在太赫兹可穿戴器件、共形器件及原位传感等应用中具有潜在优势。

4、在超表面的众多物理机制中，电磁诱导透明（eit）效应备受关注。传统的eit最初在原子物理体系中被提出，源于量子干涉引起的透明窗口现象。在超表面体系中，eit效应通常可以用两种品质因子相差巨大但具有相近共振频率的模态之间的近场耦合来解释。其中一种共振模式能够直接与入射的电磁波耦合，因此具有较宽的谐振线宽和较低的q值，通常被称为明模；另外一种共振模式具有极低的辐射损耗，难以被入射场直接激发，被称为暗模。当明模与暗模的谐振频率相近时，在入射场的激发下两种模式的共振耦合产生相消干涉，从而在透射频谱上表现为尖锐的透明窗口。依据这一理论，通过在微纳结构中引入明模与暗模之间的近场耦合，在经典电磁体系中成功模拟了“类电磁诱导透明”效应，其能够在室温环境下实现高品质因数（q值）的窄带透射峰，并伴随显著的慢光效应。

5、然而，传统基于金属材料的eit超表面在实际应用中面临严峻挑战。一方面，由于金属材料在太赫兹波段存在欧姆损耗，会增加体系的非辐射耗散并限制谐振品质因数，导致传统金属eit超表面的透明窗口q值受到限制，无法满足高灵敏度应用的需求。为了降低损耗提升q值，部分研究转向采用全介质超表面来实现eit效应，但全介质器件通常不具备柔韧性，难以满足未来太赫兹器件在共形贴合与可穿戴设备中的工程需求。另一方面，为了对齐共振频率而设计复杂的常规明暗模结构，导致绝大多数现有的eit超表面存在一个明显的局限性：其模态耦合条件对入射电磁波的偏振态极度敏感。在实际复杂的电磁环境中，一旦偏振状态发生偏移，耦合关系即被破坏，导致透明窗口展宽甚至完全消退，严重制约了器件的工程适用性。

6、如何在保留金属柔性超表面工程优势的前提下，寻找一种能够极大提升q 值且保持偏振不敏感的新型暗模机制，成为本领域的关键技术瓶颈。为了进一步提升谐振q值并尝试解决稳定性问题，研究人员引入了连续域束缚态（bic）理论。bic最早于1929年在量子力学中被提出，描述了一类能量位于连续域中却无法向外辐射的特殊态。将其引入电磁领域后，通过精细设计阵列的几何参数并引入微小的对称性破缺，可将理论上无辐射损耗的bic转化为与外界自由空间耦合的准连续域束缚态（quasi-bic），从而以极窄的共振线宽实现能量的高度局域化。

7、然而，尽管基于金属与柔性基底复合的bic超表面在物理形态上具备上述显著优势，其在电磁性能层面走向实际应用时，仍面临难以调和的技术矛盾：一方面，为了激发qbic效应，必须在阵列内部引入微观尺度的几何对称性破缺，如文献[[22].huang s, wanm, sun m, et al. an asymmetric gaas nanocylinder quasi-bic metasurface fordual narrowband high-q perfect absorption in the near-infrared region [j].physical chemistry chemical physics, 2026, 28 : 10749-10757]，但这往往会破坏器件面内的宏观对称排布，导致现有的大多数高q值超表面极易受到入射电磁波偏振态变化的影响，无法适应复杂多变的电磁环境；另一方面，不仅金属微纳结构在太赫兹频段存在固有的强欧姆损耗，柔性基底材料本身在太赫兹频段也存在不可忽视的本征介电吸收。这种严苛的“双重损耗”环境，进一步加剧了在该柔性复合体系下同时获得高q值与偏振无关特性的物理难度。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的难以兼顾高q值窄带滤波与偏振不敏感特性的的技术问题，本发明提出一种基于四周期超构表面的偏振不敏感型太赫兹窄带滤波器件，通过引入周期性扰动，使结构由单周期依次演化为双周期和四周期，并利用布里渊区二次折叠使两个相互正交的谐振模式在布里渊区中心γ点发生简并，从而形成bic；随后，通过改变四个金属圆形谐振器中一个谐振器的尺寸，引入局部几何非对称扰动，使bic转化为能够与自由空间电磁场耦合的qbic；进一步在四周期超大原胞外围设置金属条谐振器，使其宽带固有谐振与qbic发生耦合，从而形成类eit窄带透射响应。实现了太赫兹特定频段的高透射率、超窄带宽与高品质因数以及最终滤波响应对入射偏振态的不敏感性。

2、为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

3、一种基于四周期超构表面的偏振不敏感型太赫兹窄带滤波器件，包括：柔性基底层以及设置于所述柔性基底层表面的谐振层，所述谐振层由周期性排列的四周期原胞组成，所述四周期原胞包括qbic暗模单元和明模耦合单元，qbic暗模单元由四个周期性排列的暗模谐振器组成，四个暗模谐振器中至少有一个暗模谐振器与其余暗模谐振器尺寸不同，明模耦合单元由包围于四个暗模谐振器的多个明模条型谐振器组成。

4、优选的，所述谐振层为金属谐振层；所述qbic暗模单元由四个沿x、y方向二维周期性排列的暗模金属谐振器组成，四个暗模金属谐振器中至少有一个暗模金属谐振器与其余暗模金属谐振器尺寸不同；明模耦合单元由包围于四个暗模金属谐振器的多个明模金属条型谐振器组成。

5、优选的，所述柔性基底层采用聚酰亚胺pi柔性薄膜；所述金属谐振层为金属铜谐振层。

6、优选的，四个暗模金属谐振器分别对应四个单周期单元，四个暗模金属谐振器自其对应的原始单周期单元的几何中心向所述四周期原胞的几何中心方向平移相同距离l，实现布里渊区二次折叠，并形成二维分布的qbic暗模单元。

7、优选的，四个暗模金属谐振器均为金属圆形谐振器，其中三个金属圆形谐振器具有相同的基准半径r0，剩余一个金属圆形谐振器的半径为r1，且r1

8、优选的，明模耦合单元由包围于四个暗模金属谐振器的八条明模金属条形谐振器组成，八条明模金属条形谐振器分布于所述四周期原胞的四条边界上，每条边界设置两条明模金属条形谐振器，同一边界上的两条明模金属条形谐振器关于四周期原胞中轴线对称，且同一边界上的两条明模金属条形谐振器的长度方向均与对应边界平行。

9、优选的，所述聚酰亚胺pi柔性薄膜厚度为；金属铜谐振层厚度为。

10、优选的，三个金属圆形谐振器基准半径为，剩余一个金属圆形谐振器的半径为；向四周期原胞几何中心方向对称平移距离为。

11、优选的，金属条形谐振器宽度，长度；金属条形谐振器临近四周期原胞中轴线内侧端点之间的间距为；相对边界上的金属条谐振器中心间距为n=300μm。

12、优选的，所述剩余一个金属圆形谐振器的半径为；

13、金属条形谐振器宽度，长度。

14、本发明的有益效果为：

15、基于布里渊区二次折叠构建高q值qbic谐振模式。本发明通过引入周期性扰动，使超表面结构由单周期依次演化为双周期和四周期，并利用布里渊区二次折叠使两个相互正交的谐振模式在γ点发生简并，从而形成bic。进一步通过改变四个金属圆形谐振器中一个谐振器的半径，引入局部几何非对称扰动，使bic转化为能够与自由空间耦合的qbic。该结构能够在保持较低辐射损耗的同时获得窄线宽和高品质因数的谐振响应。

16、通过明、暗模式耦合实现窄带类eit透射响应。本发明在四周期超大原胞的四周边界设置金属条谐振器，以其宽带固有谐振作为明模式，并以金属圆形谐振器形成的qbic作为窄带暗模式。通过调节金属条谐振器的结构参数，使明模式与暗模式的谐振频率相匹配并产生近场耦合，从而在太赫兹波段形成具有较高透射率、较窄带宽和较高品质因数的类电磁诱导透明响应，实现窄带滤波。

17、具有较好的偏振鲁棒性。本发明利用布里渊区二次折叠形成的相互正交简并谐振模式，并通过局部几何微扰激发qbic，使器件在不同线偏振角以及左、右旋圆偏振入射条件下均能够保持基本一致的窄带谐振响应，从而降低器件性能对入射太赫兹波偏振态的依赖，提高其在复杂偏振环境下的适用性。

18、整体结构仅采用圆形与条形两种简单金属图形，适配标准光刻-剥离微纳工艺，可在柔性聚酰亚胺基底上批量制备，兼顾高性能与柔性共形的工程应用能力。