基于GST的太赫兹单元及太赫兹器件

本申请属于太赫兹超表面，具体涉及一种基于gst的太赫兹单元及太赫兹器件。

背景技术：

1、太赫兹（terahertz或thz）波介于微波和远红外波段之间，其波长在0.03mm~3mm之间，相应的频率范围在0.1thz~10thz。由于波段的特殊性使太赫兹波在天文学、通信、生物医学和安全检查等领域展现出巨大的应用潜力。太赫兹超表面作为由功能驱动的人工超原子阵列组成的超薄超材料，为实现轻量化、紧凑型光子器件提供了一条在技术上至关重要的途径。

2、太赫兹单元中金属结构层，能够对电磁波的相位与幅值实现突变式调制，实现高效的电磁波相位调控与幅值调控功能。现有的金属结构层多采用c形狭缝结构，参见图1所示，这类结构虽然能够实现一定的功能，但c形狭缝结构设计较为复杂，通常需要改变尺寸、开口大小等多个参数才能实现相位变化，过程复杂且不连续，同时加工精度要求高，不利于器件的制备与推广。

3、锗锑碲（gst）作为典型的硫系相变材料，其可以通过施加外部激励（光、热或电刺激）实现两种状态的反复切换，并且gst的非晶态和结晶态在光学和电学性质上存在着显著的差异。然而，相对技术中，针对太赫兹单元及太赫兹器件，均未涉及gst的集成应用，未通过集成手段将gst与太赫兹单元、器件结合以优化性能或实现特定功能。

技术实现思路

1、针对现有技术的问题，本发明提出了种基于gst的太赫兹单元及太赫兹器件；具体技术方案如下：

2、一种基于gst的太赫兹单元，所述太赫兹单元包括：在硅基底层上设置金属结构层；其中，金属结构层为金属薄膜，金属薄膜上开设有椭圆型通孔；金属结构层的椭圆型通孔构成有源单元和无源单元，有源单元上覆盖了gst膜，无源单元上未覆盖gst膜。

3、所述的基于gst的太赫兹单元，椭圆型通孔的旋转角度为θ，所述θ是以x轴为基准，所述θ是椭圆型通孔绕中心旋转的角度，θ为0~π范围内的任意角度；所述x轴为水平方向的参考轴。

4、所述gst膜与所述硅基底层的厚度不同。

5、基于gst的太赫兹单元的太赫兹器件，所述太赫兹器件包括多个如前所述的太赫兹单元；多个太赫兹单元构成两组有源单元组和一组无源单元组，有源单元组u1和无源单元组u3在同一列中呈间隔交替排列，有源单元组u2单独一列，两列相邻排列；gst超表面为相邻排列重复交替排列的矩阵；相邻的太赫兹单元的硅基底层抵靠对齐设置；多个所述太赫兹单元至少依次成60行成60列排列。

6、太赫兹单元的太赫兹器件，所述金属结构层以及所述硅基底层的中心点位置重合。

7、太赫兹单元的太赫兹器件，具体的有源单元组以及无源单元组都是由不同旋向的金属椭圆型通孔依次成行成列排列得到，旋转角度由相位分布确定。

8、具体说明如下：

9、一种基于gst的太赫兹单元，所述太赫兹单元包括：

10、金属结构层，用于对透射波的相位与幅值实现突变式调制，实现高效的电磁波相位调控与幅值调控功能；其中，所述金属结构层为金属薄膜，所述金属薄膜上开设有椭圆型通孔阵列；

11、基于金属结构层的椭圆型通孔排列的gst膜，覆盖在所述金属结构层的一面；其中，所述gst膜为非晶态，所述太赫兹单元具有高透射率；所述gst膜为结晶态，所述太赫兹单元具有低透射率；

12、所述金属结构层以及所述硅基底层的中心点位置重合。

13、优选地，所述金属结构层的材料为铝。

14、优选地，所述金属结构层的旋转角度为θ，所述θ是以x轴为基准，所述θ是椭圆型通孔绕中心旋转的角度，所述θ为0~π范围内的任意角度；所述x轴为水平方向的参考轴。

15、优选地，所述gst膜为结晶态时的电导率与所述gst膜为非晶态时的电导率不同。

16、优选地，所述gst膜与所述硅基底层的厚度不同。

17、第二方面，本申请还提供了一种基于gst的太赫兹器件，所述太赫兹器件包括多个如前所述的太赫兹单元；

18、其中，多个所述太赫兹单元依次成行成列排列，相邻的太赫兹单元的硅基底层抵靠对齐设置；多个所述太赫兹单元至少依次成60行成60列排列；

19、多个如前所述的太赫兹单元构成有源单元组和无源单元组，有源单元组和无源单元组的区别在于，有源单元组上覆盖了gst膜，无源单元组上未覆盖gst膜。

20、所述器件包含了两组有源单元组以及一组无源单元组，用于实现所需功能的无源单元组u3，用于实现所需另一功能的有源单元组u2以及用于抵消无源单元组的有源单元组u1。

21、有源单元组u1和无源单元组u3在同一列中呈上下交替排列；有源单元组u2构成单独一列，两列相邻排列。

22、优选地，所述基于gst的太赫兹器件，包括：两组有源单元组以及一组无源单元组；有源单元组u1和无源单元组u3在同一列中呈上下交替排列；有源单元组u2构成单独一列，两列相邻排列；具体的有源单元组以及无源单元组都是由不同旋向的金属椭圆型通孔依次成行成列排列得到，旋转角度由相位分布确定。

23、其中，所述有源单元组u1的相位分布通过方程（1）确定；

24、    （1）

25、所述有源单元组u2的相位分布通过方程（2）确定；

26、    （2）

27、所述无源单元组u3的相位分布通过方程（3）确定；

28、    （3）

29、其中，λ为自由空间中的波长，l1为聚焦涡旋发生器的拓扑荷数，fx, fy, fz为超构透镜的焦点位置，y为在y轴的坐标位置，x为在x轴的坐标位置，为有源单元组u1的相位分布，为有源单元组u2的相位分布，为有源单元组u3的相位分布，u1相对于u3在焦平面引入π相位延迟，从而u1和u3产生相消干涉。u2设计为焦距fz = 3 mm、x方向偏移量fx = 6mm的超构透镜，而u3作为聚焦涡旋发生器，其拓扑荷数为l1 = 1。在gst处于非晶态时，超表面实现超构透镜功能；在gst处于晶态时，超表面实现聚焦涡旋发生器功能。

30、本申请具有以下技术效果：

31、本申请提供的一种基于gst的太赫兹单元及太赫兹器件，太赫兹单元包括上下依次设置的金属结构层以及底部硅基底层；金属结构层为椭圆型通孔，结构简单，易于制备；通过对椭圆型通孔进行简单旋转，即可引入几何相位，轻松实现0~2π的连续相位覆盖；gst膜为相变材料，通过温度可以控制gst的电导率，进而控制整个太赫兹单元的性能；基于gst的太赫兹器件通过多个基于gst的太赫兹单元排列而成，可实现双功能，在gst的非晶态实现超构透镜功能，在gst的结晶态实现聚焦涡旋发生器功能；基于gst的太赫兹器件结构简单，体积小，制备工艺简单。

1.一种基于gst的太赫兹单元，其特征是，所述太赫兹单元包括：在硅基底层上设置金属结构层；其中，金属结构层为金属薄膜，金属薄膜上开设有椭圆型通孔；金属结构层的椭圆型通孔构成有源单元和无源单元，有源单元上覆盖了gst膜，无源单元上未覆盖gst膜。

2.如权利要求1所述的基于gst的太赫兹单元，其特征是，椭圆型通孔的旋转角度为θ，所述θ是以x轴为基准，所述θ是椭圆型通孔绕中心旋转的角度，θ为0~π范围内的任意角度；所述x轴为水平方向的参考轴。

3.如权利要求1所述的基于gst的太赫兹单元，其特征是，所述gst膜与所述硅基底层的厚度不同。

4.基于gst的太赫兹单元的太赫兹器件，其特征是，所述太赫兹器件包括多个如权利要求1~3任一所述的太赫兹单元；多个太赫兹单元构成两组有源单元组和一组无源单元组，有源单元组u1和无源单元组u3在同一列中呈间隔交替排列，有源单元组u2单独一列，两列相邻排列；gst超表面为相邻排列重复交替排列的矩阵；相邻的太赫兹单元的硅基底层抵靠对齐设置；多个所述太赫兹单元至少依次成60行成60列排列。

5.如权利要求4所述的基于gst的太赫兹单元的太赫兹器件，其特征是，所述金属结构层以及所述硅基底层的中心点位置重合。

6.如权利要求4所述的基于gst的太赫兹单元的太赫兹器件，其特征是，具体的有源单元组以及无源单元组都是由不同旋向的金属椭圆型通孔依次成行成列排列得到，旋转角度由相位分布确定。

7.如权利要求6所述的基于gst的太赫兹单元的太赫兹器件，其特征是，相位分布如下：