太赫兹双向偏振转换器的制作方法

1.本发明涉及太赫兹波领域，尤其涉及一种太赫兹双向偏振转换器。


背景技术：

2.太赫兹一般指的是频率为0.1~10thz的电磁波，相应波长为0.03mm~3mm，位于微波和红外波段之间的电磁辐射。近些年来，随着太赫兹辐射的产生和探测技术的发展，太赫兹在生物大分子检测、生物化学传感方面有着很大的应用前景。随着超材料技术的飞速发展，基于超材料的各种太赫兹波器件研发激起了科研人员的高度重视。已有报道的超材料太赫兹器件存在着太赫兹控制功能较单一、调控困难、结构器件结构复杂问题，极大限制了太赫兹控制器件的发展。
3.太赫兹技术的发展不仅需要高效的太赫兹波源和高灵敏的检测器，同时也需要高性能的太赫兹调制器、吸波器、滤波器等相关功能器件。作为太赫兹系统的核心器件之一太赫兹波偏振转换器能够有效调控和改变太赫兹波的偏振状态。传统的太赫兹波偏振转换器，只能实现单一方向、单频段的偏振转换，这在很大程度上限制了这类偏振转换器件的应用范围。针对上述问题，本发明提出的太赫兹双向偏振转换器能从正反两个方向、不同频段对太赫兹波进行偏振转换，具有结构简单，易于加工等特点，满足太赫兹波通信复用系统应用要求。


技术实现要素：

4.本发明为了克服现有技术不足，提供一种太赫兹双向偏振转换器。
5.为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种太赫兹双向偏振转换器，其特征在于它包括太赫兹波入射端、太赫兹波输出端、超表面偏振转换器；其中超表面偏振转换器由n
×
n个结构单元周期排列在与太赫兹波输入方向垂直的平面上，n为自然数；结构单元从上往下依次包括顶层的石墨烯贴片与金属缺口方形环、第一石英介质层、石墨烯层、第二石英介质层和底层的金属缺口方形环与底层的石墨烯贴片。顶层金属缺口方形环的缺口与底层金属缺口方形环的缺口之间存在90
°
旋转角。
6.上述方案中的各部件具体参数可采用如下优选方式：作为优选，所述的顶层的石墨烯贴片的材料为石墨烯，长度和宽度为20μm ~30μm，厚度为0.8~1.2nm。
7.作为优选，所述的顶层的金属缺口方形环的材料为铜，长度和宽度为40μm ~60μm，开口间隙宽度为6μm ~10μm，厚度为0.2
µ
m~0.5μm。
8.作为优选，所述的第一介质层的材料为石英，长度和宽度均为50~70μm，厚度为4~6μm。
9.作为优选，所述的石墨烯层的材料为石墨烯，长度和宽度均为50~70μm，厚度为0.8~1.2nm。
10.作为优选，所述的第二介质层的材料为石英，长度和宽度均为50~70μm，厚度为4~6μm。
11.作为优选，所述的底层的金属缺口方形环的材料为铜，长度和宽度为40μm ~60μm，开口间隙宽度为6μm ~10μm，厚度为0.2
µ
m~0.5μm。
12.作为优选，所述的底层的石墨烯贴片的材料为石墨烯，长度和宽度为20μm ~30μm，厚度为0.8~1.2nm。
13.作为优选，所述的顶层金属缺口方形环的缺口与底层金属缺口方形环的缺口之间存在90
°
旋转角。
14.本发明公开的太赫兹双向偏振转换器具有结构简单，易于加工等特点，能够对正反两个方向入射的不同偏振态的太赫兹波进行偏振转换，满足太赫兹波通信复用系统应用要求。
附图说明
15.图1是太赫兹双向偏振转换器的三维阵列结构和单元结构示意图；图2是单元结构在aa方向的截面图；图3是从正反两个方向入射下，太赫兹双向偏振转换器对不同入射偏振太赫兹波的偏振转换示意图；图4是x偏振太赫兹波从正向入射，y偏振太赫兹波从太赫兹双向偏振转换器输出曲线；图5是y偏振太赫兹波从正向入射，x偏振太赫兹波从太赫兹双向偏振转换器输出曲线；图6是y偏振太赫兹波从反向入射，x偏振太赫兹波从太赫兹双向偏振转换器输出曲线；图7是x偏振太赫兹波从反向入射，y偏振太赫兹波从太赫兹双向偏振转换器输出曲线；图8是当顶层金属缺口方形环的缺口与底层金属缺口方形环的缺口之间为0
°
旋转角时排列得到的三维阵列结构与单元结构示意图；图9是x偏振太赫兹波从正向入射，y极化太赫兹偏振波从图8结构输出曲线；图10是y偏振太赫兹波从反向入射，x偏振太赫兹波从图8结构输出曲线。
具体实施方式
16.图1是太赫兹双向偏振转换器的三维阵列结构和单元结构示意图。图2是单元结构在aa方向的截面图。图3是从正反两个方向入射下，太赫兹双向偏振转换器对不同入射偏振太赫兹波的偏振转换示意图。太赫兹双向偏振转换器，它包括太赫兹波入射端1、太赫兹波输出端2、太赫兹波入射端3、太赫兹波输出端4、超表面偏振转换器5；其中超表面偏振转换器5由n
×
n个结构单元6周期排列在与太赫兹波输入方向垂直的平面上，n为自然数；结构单元6从上往下依次包括顶层的石墨烯贴片7与金属缺口方形环8、第一石英介质层9、石墨烯层10、第二石英介质层11和底层的金属缺口方形环12与底层的石墨烯贴片13；顶层金属缺口方形环8的缺口与底层金属缺口方形环12的缺口之间存在90
°
旋转角。
17.在该太赫兹双向偏振转换器中，各部件的材料和参数可采用如下方式：所述的顶层的石墨烯贴片的材料为石墨烯，长度和宽度为20μm ~30μm，厚度为0.8~1.2nm。所述的顶层的金属缺口方形环的材料为铜，长度和宽度为40μm ~60μm，开口间隙宽度为6μm ~10μm，厚度为0.2
µ
m~0.5μm。所述的第一介质层的材料为石英，长度和宽度均为50~70μm，厚度为4~6μm。所述的石墨烯层的材料为石墨烯，长度和宽度均为50~70μm，厚度为0.8~1.2nm。所述的第二介质层的材料为石英，长度和宽度均为50~70μm，厚度为4~6μm。所述的底层的金属缺口方形环的材料为铜，长度和宽度为40μm ~60μm，开口间隙宽度为6μm ~10μm，厚度为0.2
µ
m~0.5μm。所述的底层的石墨烯贴片的材料为石墨烯，长度和宽度为20μm ~30μm，厚度为0.8~1.2nm。所述的顶层金属缺口方形环的缺口与底层金属缺口方形环的缺口之间存在90
°
旋转角。
18.下面基于该太赫兹双向偏振转换器，通过实施例说明其具体技术效果。
19.实施例1本实施例中，太赫兹双向偏振转换器的结构和各部件形状如上所述，因此不再赘述。但各部件的具体参数如下：当n取值为4时，4
×
4个单元结构6排列在与太赫兹波输入方向垂直的平面上，顶层的石墨烯贴片7的材料为石墨烯，长度和宽度为24μm，厚度为1nm。顶层的金属缺口方形环8的材料为铜，长度和宽度为48μm，开口间隙宽度为8μm，厚度为0.5μm。第一介质层9的材料为石英，长度和宽度均为58μm，厚度为5μm。石墨烯层10的材料为石墨烯，长度和宽度均为58μm，厚度为0.8nm。第二介质层11的材料为石英，长度和宽度均为58μm，厚度为4μm。底层的金属缺口方形环12的材料为铜，长度和宽度为48μm，开口间隙宽度为8μm，厚度为0.5μm。底层的石墨烯贴片13的材料为石墨烯，长度和宽度为24μm，厚度为1nm。顶层金属缺口方形环8的缺口与底层金属缺口方形环12的缺口之间存在90
°
旋转角。
20.太赫兹双向偏振转换器工作机理为：当太赫兹波信号从输入端1入射，通过太赫兹双向偏振转换器作用，从太赫兹波输出端2输出。另外，当太赫兹波信号从输入端3入射，通过太赫兹双向偏振转换器作用，从太赫兹波输出端4输出。
21.当x偏振太赫兹波从正向入射，y偏振太赫兹波从太赫兹双向偏振转换器输出，其输出曲线如图4所示，在1.57thz~1.85thz与2.46thz~2.85thz两个频段范围内，x偏振太赫兹波从输入端1入射能够高效转换为y偏振太赫兹波，从输出端2输出。在1thz~3thz频段范围内，当y偏振太赫兹波从正向入射，没有x偏振太赫兹波从太赫兹双向偏振转换器输出，其输出曲线如图5所示。
22.另外，当y偏振太赫兹波从反向入射，x偏振太赫兹波从太赫兹双向偏振转换器输出，其输出曲线如图6所示，在1.57thz~1.85thz与2.46thz~2.85thz两个频段范围内，y偏振太赫兹波从输入端3入射能够高效转换为x偏振太赫兹波，从输出端4输出。在1thz~3thz频段范围内，当x偏振太赫兹波从反向入射，没有y偏振太赫兹波从太赫兹双向偏振转换器输出，其输出曲线如图7所示。
23.从图4~图7可以看出，不同偏振太赫兹波从不同方向入射时，经过本发明的太赫兹双向偏振转换器作用后，实现了良好的偏振转换效果，表明本发明器件能够从正反两个方向对不同偏振太赫兹波进行偏振转换。
24.实施例2
本实施例中，如果顶层金属缺口方形环的缺口与底层金属缺口方形环的缺口之间为0
°
旋转角，排列得到的三维阵列结构与单元结构示意图如图8所示。当x偏振太赫兹波从正向入射（太赫兹波信号从输入端1输入），在1thz~3thz频段范围内，没有y偏振太赫兹波从太赫兹双向偏振转换器输出，其输出曲线如图9所示。同样的，当y偏振太赫兹波从反向入射（太赫兹波信号从输入端3输入），在1thz~3thz频段范围内，没有x偏振太赫兹波从太赫兹双向偏振转换器输出，其输出曲线如图10所示。该实施实例表明，不按照本发明所设计结构排布，器件无法实现从正反两个方向对不同偏振入射太赫兹波进行偏振转换输出。