一种双频带自旋选择透射超表面器件设计方法与流程

1.本发明属于新型人工电磁材料和太赫兹科学技术的技术领域，具体涉及一种双频带自旋选择透射超表面器件设计方法。


背景技术：

2.手性是一种特殊的性质，表明物体中没有镜像对称，就像人类的左右手一样，无论我们如何移动或旋转，它们都无法重叠。这些手性结构广泛存在于自然界，如氨基酸、糖和晶体。手性介质对圆偏振(cp)光的光学响应可以描述为光学活性和圆二色性(cd)，广泛应用于医学诊断、通信等领域。然而，由于手性材料的尺寸尺度和入射光波长的匹配性，这些材料的手性光学响应很弱。
3.为了有效地增强自然介质中的手性光学响应，人们提出了周期性排列的人工材料超材料，以提高几个数量级的手性光学特性。然而，三维制造的复杂性和高成本阻碍了自旋选择性透射超材料的发展。近年来，被称为手性超表面的平面手性超材料很好地克服了上述挑战，这在理论研究和实际应用中引起了极大的关注，因为它们对两个正交圆极化的不同透射或反射响应。基于上述特点，人们提出了许多偏振器件，用于cd光谱、光学传感等领域。大多数手性超表面被提出用于增强单波段cd或实现单波段手性光学响应的动态操纵，但多波段手性光学响应仍没有实现。
4.为此，本发明设计了一种单层全硅太赫兹超构原子，这种超构原子所组成的超表面具有双波段手性响应特性。并且，此超表面在两个频段处具有相反的自旋选择性透射。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种双频带自旋选择透射超表面器件设计方法，以解决或改善上述的问题。
6.为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
7.一种双频带自旋选择透射超表面器件设计方法，其具体包括以下步骤：
8.s1、基于高阻硅，设计基本结构，基本结构为h型介质柱；
9.s2、步骤s1中的基本结构按周期性排布，结构周期排布所组成的超表面实现双频段的自旋选择透射。
10.进一步地，步骤s1中所述基本结构为h型介质柱，其具体参数视具体工作频率而定。
11.进一步地，步骤s2超表面工作在1.2和1.6thz附近的频段内，硅总厚度为500μm，介质柱刻蚀高度均为200μm，介质柱两侧的矩形条的长为50
‑
80μm，宽为15
‑
30μm，并且与x轴呈现45
°
夹角；介质柱两侧的矩形条的中心间距为70
‑
100μm，连接两侧矩形条的柱子的宽度为10
‑
25μm。整个单元的周期为140
‑
180μm。
12.本发明提供的双频带自旋选择透射超表面器件设计方法，具有以下有益效果：
13.本发明公开了一种实现双频带自旋选择透射太赫兹超表面器件，本发明提出的超
表面是由单层全硅材料构成，显著降低了加工难度并节约了制作成本，本发明可以实现两种频段内的自旋选择透射性，并在两种频段内实现两种相反的手性效应，这为太赫兹自旋选择透射性器件的设计提供了新思路。
14.本发明在太赫兹波段可以实现双频段自旋选择透射，这为手性多频带和宽带的手性超表面提供了新的方案。
15.同时，本发明设计的双频段自旋选择透射超表面在各频段具有相反的手性响应，这为以后的传感和医学领域的应用提供了新的方向。
附图说明
16.图1(a)为单个元原子的立体图，(b)为单个元原子的俯视图。
17.图2(a)为单个元原子在不同圆偏振入射下的透射系数，(b)为单个元原子在不同入射波长下的cd。
18.图3(a)为超表面对1.2thz入射圆偏振的响应，(b)为超表面对1.6thz入射圆偏振的响应。
具体实施方式
19.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
20.实施例一，参考图1，本方案的双频带自旋选择透射超表面器件设计方法，具体包括以下步骤：
21.s1、设计基本结构，使得基本结构可以实现双频段的自旋选择透射。
22.s2、将步骤一中设计好的基本结构按周期性排布。
23.上述设计全部基于高阻硅，高阻硅厚度为500μm。步骤一中所述基本结构为h型介质柱。本发明中超表面工作在1.2和1.6thz附近的频段内，硅的总厚度为t1 t2＝500μm，介质柱刻蚀高度均为t2＝200μm，介质柱两侧的矩形条的长为l1＝70μm，宽为w1＝22μm，并且与x轴呈现45
°
夹角。介质柱两侧的矩形条的中心间距为l2＝90μm，连接两侧矩形条的柱子的宽度为w2＝16μm。整个单元的周期为p＝150μm。
24.实施例二，具体包括：
25.s1、设计基本结构，使得基本结构可以实现双频段的自旋选择透射。如图1所示，基本结构为h型介质柱。本发明中超表面工作在1.2和1.6thz附近的频段内，由图1(a)可以看出，硅的总厚度为t1 t2＝500μm，介质柱刻蚀高度均为t2＝200μm。图1(b)为该单元的俯视图。介质柱两侧的矩形条的长为l1＝70μm，宽为w1＝22μm，并且与x轴呈现45
°
夹角。介质柱两侧的矩形条的中心间距为l2＝90μm，连接两侧矩形条的柱子的宽度为w2＝16μm。整个单元的周期为p＝150μm。如图2(a)，下标中的“ ”与
“‑”
分别代表右旋圆偏振和左旋圆偏振。以“t
‑
”为例，它表示右旋圆偏振入射，出射左旋圆偏振的透射系数。当入射的太赫兹波在1.2thz附近时，t
‑

远远大于其他三种结果；当入射的太赫兹波在1.6thz附近时，t

‑
远远大于其他三种结果。如图2(b)，与图1(a)中的结果相吻合，当入射的太赫兹波在1.2thz附近时，入射的
左旋圆偏振波经该单元偏振转换成右旋圆偏振波出射，而入射的右旋圆偏振波则不能穿过该单元。当入射的太赫兹波在1.6thz附近时，该单元所呈现的手性响应与1.2thz附近的频段相反。
26.s2、如图3，将设计的基本结构按周期为p＝150μm进行周期性排布，组成的超表面的尺寸为1.2
×
1.2cm2。如图3(a)，入射1.2thz的右旋圆偏振波至超表面时，右旋圆偏振将被反射，而左旋圆偏振波入射至该超表面后，出射波中几乎只存在右旋圆偏振分量。如图3(b)，当入射频率为1.6thz时，该超表面所产生的手性响应与入射频率为1.2thz时的结果相反。
27.综上所述，本发明提出的超表面是由单层全硅材料构成，显著降低了加工难度和节约了制作成本。本发明可以实现两种频段内的自旋选择透射性。本发明可以在两种频段内实现两种相反的手性效应，这为太赫兹超表面在医疗和通信等领域的应用提供了全新的平台。
28.虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。