一种基于超表面结构的极化单元、极化转换器和制备方法

0.739thz和1.336-1.365thz两个频带内极化转换率接近100％(相对带宽达到了21％和3％)，实现了完美的线极化转换。本发明基于极化转换器还提供了制备方法以此实现对极化转换器的加工。
5.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
6.第一方面，提供了一种基于超表面结构的极化单元，包括一层介质层、镀印于介质层正面用于实现双频带极化转换的金属转换层以及位于介质层背面的金属反射层；
7.所述金属转换层包括第一金属结构层和第二金属结构层，所述第一金属结构层嵌套于第二金属结构层内，所述第一金属结构层为十字形，所述第二金属结构层为十字环形，所述第二金属结构层与第一金属结构层的间距相等，所述第一金属结构层和第二金属结构层的对称轴为所述介质层的对角线。
8.进一步的，所述金属转换层的材料是金、银、铝和铜四种中的任意一种。
9.进一步的，所述介质层的材料是聚酰亚胺、硅和石英三种中的任意一种。
10.进一步的，所述极化单元的周期长度为110μm～130μm，所述介质层的厚度为30μm～60μm，所述金属转换层和所述金属反射层的厚度为100nm～300nm。
11.进一步的，所述第一金属结构层包括一个沿x轴或y轴倾斜45度的第一长矩形和一个沿x轴或y轴倾斜45度的第一短矩形，所述第一长矩形与所述第一短矩形相互垂直且相互平分；
12.所述第一长矩形的长度为100μm～120μm，宽度为24μm～28μm；
13.所述第一短矩形的长度为40μm～80μm，宽度为24μm～28μm。
14.进一步的，所述第二金属结构层包括第一十字形结构层和第二十字形结构层；
15.所述第一十字形结构层包括一个沿x轴或y轴倾斜45度的第二长矩形和一个沿x轴或y轴倾斜45度的第二短矩形，所述第二长矩形与所述第二短矩形相互垂直且相互平分；
16.所述第二十字形结构层包括一个沿x轴或y轴倾斜45度的第三长矩形和一个沿x轴或y轴倾斜45度的第三短矩形，所述第三长矩形与所述第三短矩形相互垂直且相互平分；
17.所述第一十字形结构层位于所述第二十字形结构层内，所述第二十字形结构层在所述介质层上的面积减去所述第一十字形结构层在所述介质层上的面积确定所述第二金属结构层在所述介质层的面积。
18.进一步的，所述第二长矩形的长度方向上与所述第一金属结构层的长度方向上的距离为4μm～7μm，所述第二长矩形的宽度方向上与所述第一金属结构层的宽度方向上的距离为1μm～3μm，所述第二短矩形的长度方向上与所述第一金属结构层的长度方向上的距离为9μm～11μm，所述第二短矩形的宽度方向上与所述第一金属结构层的宽度方向上的距离为1μm～3μm，；
19.所述第三长矩形的宽度边界距离与所述第一金属结构层的距离为9μm～11μm，所述第三短矩形的宽度边界距离与所述第一金属结构层的距离为4μm～6μm。
20.进一步的，所述第二十字形结构层和所述第一十字形结构层长度方向上的间距相等，所述第二十字形结构层和所述第一十字形结构层宽度方向上的间距相等。
21.第二方面，提供了一种基于超表面结构的双频带极化转换器，包括第一方面所述的一种极化单元，多个所述极化单元按周期性排列在垂直于太赫兹波入射平面上构成所述双频带极化转换器。
22.第三方面，提供了一种基于超表面结构的双频带极化转换器的制备方法，包括第二方面所述的一种基于超表面结构的双频带极化转换器，包括：
23.第一步，光刻掩模版清洗：先将光刻掩模版放入含有丙酮的超声清洗仪中清洗，然后将其放入无水乙醇中浸泡，使用去离子水清洗光刻掩模版，最后使用氮气枪吹干光刻掩模版；
24.第二步，介质层清洗：使用丙酮和酒精把介质层清洗干净；
25.第三步，镀金：利用磁控溅射机将厚度为300nm的金和10nm的钛镀在介质层薄膜的两侧；
26.第四步，涂胶与前烘：先将镀金后光刻掩模版的放置于匀胶机上进行匀胶，然后对匀胶后的光刻掩模版进行前烘；
27.第五步，曝光显影：利用光刻机对光刻掩模版进行曝光光刻，然后使用显影液对光刻掩模版进行显影；
28.第六步，刻蚀：利用离子束刻蚀机对厚度为300nm的镀金层进行刻蚀，获得金属转换层；
29.第七步，去胶：将刻蚀完后的光刻掩模版至于丙酮溶液中浸泡，然后使用等离子去胶机去除光刻掩模版表面的光刻胶，最后使用去离子水清洗光刻掩模版并风干。
30.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
31.1.本发明所提供的极化单元的金属转换层采用经典各向异性“十”字形结构，能够使线极化波入射时两个垂直方向上的分量产生满足交叉极化转换的相位差条件；由于不同尺寸的金属结构可以在不同频率处产生谐振，且不同尺寸的金属结构的耦合可以增大谐振带宽，故金属转换层采用第二金属结构层(嵌套式结构)与第一金属结构层(“十”字形结构)结合的方式实现了双频带的交叉极化转换，至于极化单元的介质层和金属反射层均采用现有成熟设计方案实现。本发明所提供的极化转换器由多个极化单元按周期性排列在垂直于太赫兹波入射平面上，因此极化转换器是对称结构，其对y入射线极化波和x入射线极化波具有相同的极化转换功能，可在0.626-0.775thz和1.324-1.369thz两个频带极化转换率达到90％以上(相对带宽均分别达到了13％和2％，以及在0.642-0.739thz和1.336-1.365thz两个频带内极化转换率接近100％(相对带宽达到了21％和3％)，实现了完美的线极化转换。
32.2.本发明提出一个嵌套型“十”字型的超表面金属转换层，易于集成，为加工提供了便利。
33.3.本发明提供的极化转换器可通过调整不同的参数独立控制两个频带的位置，满足多种场景适用。
34.4.本发明所提供的极化转换器，其对称结构，可对x和y极化波都产生相同的极化转换效果。
附图说明
35.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
36.图1为本发明实施例一提供的极化单元设计方案示意图；
37.图2为本发明实施例提供的极化单元的正视与侧视示意图；
38.图3为本发明实施例提供的极化单元交叉极化转换系数和共极化转换系数的频谱变化曲线；
39.图4为本发明实施例提供的极化单元极化转换率的频谱变化曲线；
40.图5为本发明实施例提供的多个极化单元周期性排列形成的极化转换器结构示意图。
41.附图中标记及对应的零部件名称：
42.1、介质层；2、金属反射层；3、第一金属结构层；4、第二金属结构层。
具体实施方式
43.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
44.需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
45.实施例一：
46.现有技术中的太赫兹极化转换器都实现了较好的极化转换效果，但现有的太赫兹双频/多频极化转换器件只能在窄带(相对带宽小于1％)或单个频点上实现完美极化转换，并不能在相对带宽较大以及多频点上实现完美极化转换，限制了极化转换器在太赫兹双信道通信、成像和探测方面的应用。因此本实施例一提供了一种基于超表面结构的极化单元，使极化转换器在相对带宽较大以及多频点上也能实现完美极化转换。
47.如图1所示，本实施例一提供了一种基于超表面结构的极化单元，包括一层介质层1、镀印于介质层1正面用于实现双频带极化转换的金属转换层以及位于介质层1背面的金属反射层2；
48.所述金属转换层包括第一金属结构层3和第二金属结构层4，所述第一金属结构层3嵌套于第二金属结构层4内，所述第一金属结构层3为十字形，所述第二金属结构层4为十字环形，所述第二金属结构层4与第一金属结构层3的间距相等，所述第一金属结构层3和第二金属结构层4的对称轴为所述介质层1的对角线。
49.具体的，如图1所示，第一金属结构层3位于第二金属结构层4内，第一金属结构层3为中间的十字形结构，对于第二金属结构层4为图1中黑色部分，因此第一金属结构层3是嵌套于第二金属结构层4内的，并且第一金属结构层3与第二金属结构层4的对称轴为介质层1的对角线，这样便于线极化波在入射时两个垂直方向上的分量产生满足交叉极化转换的相位差条件。
50.本实施例又一个实施例中，所述金属转换层的材料是金、银、铝和铜四种中的任意一种。
51.具体的，当金属转换层的材料为金时，其电导率为4.561
×
107s/m，当为银、铝和铜三种中一种时其电导率属于公知常识，因此不在叙述。
52.本实施例又一个实施例中，所述介质层1的材料是聚酰亚胺、硅和石英三种中的任意一种。
53.具体的，当介质层1的材料是聚酰亚胺时，其介电常数为3.4，当为硅和石英两种中一种时其介电常数属于公知常识，因此不在叙述。
54.本实施例又一个实施例中，所述极化单元的周期长度为110μm～130μm，所述介质层1的厚度为30μm～60μm，所述金属转换层和所述金属反射层2的厚度为100nm～300nm。
55.具体的，如图2所示，一个极化单元的周期长度可为110μm～130μm范围内的任意长度数值，如介质层1的厚度h＝50μm，极化单元的周期长度的尺寸可以为p＝120μm*120μm，金属转换层和金属反射层2的厚度为300nm。金属反射层2的材料为金，其厚度为0.3μm，电导率为4.561
×
107s/m。
56.本实施例又一个实施例中，所述第一金属结构层3包括一个沿x轴或y轴倾斜45度的第一长矩形和一个沿x轴或y轴倾斜45度的第一短矩形，所述第一长矩形与所述第一短矩形相互垂直且相互平分；
57.所述第一长矩形的长度为100μm～120μm，宽度为24μm～28μm；
58.所述第一短矩形的长度为40μm～80μm，宽度为24μm～28μm。
59.本实施例又一个实施例中，所述第二金属结构层4包括第一十字形结构层和第二十字形结构层；
60.所述第一十字形结构层包括一个沿x轴或y轴倾斜45度的第二长矩形和一个沿x轴或y轴倾斜45度的第二短矩形，所述第二长矩形与所述第二短矩形相互垂直且相互平分；
61.所述第二十字形结构层包括一个沿x轴或y轴倾斜45度的第三长矩形和一个沿x轴或y轴倾斜45度的第三短矩形，所述第三长矩形与所述第三短矩形相互垂直且相互平分；
62.所述第一十字形结构层位于所述第二十字形结构层内，所述第二十字形结构层在所述介质层1上的面积减去所述第一十字形结构层在所述介质层1上的面积确定所述第二金属结构层4在所述介质层1的面积。
63.本实施例又一个实施例中，所述第二长矩形的长度方向上与所述第一金属结构层的长度方向上的距离为4μm～7μm，所述第二长矩形的宽度方向上与所述第一金属结构层的宽度方向上的距离为1μm～3μm，所述第二短矩形的长度方向上与所述第一金属结构层的长度方向上的距离为9μm～11μm，所述第二短矩形的宽度方向上与所述第一金属结构层的宽度方向上的距离为1μm～3μm，；
64.所述第三长矩形的宽度边界距离与所述第一金属结构层的距离为9μm～11μm，所述第三短矩形的宽度边界距离与所述第一金属结构层的距离为4μm～6μm。
65.本实施例又一个实施例中，所述第二十字形结构层和所述第一十字形结构层长度方向上的间距相等，所述第二十字形结构层和所述第一十字形结构层宽度方向上的间距相等。
66.为了实现更好的双频太赫兹极化转换效果，考虑到超表面的多频谐振设计方案，主要有以下几种解决方案：堆叠式结构、多分型结构、不同形状谐振器组合结构和嵌套式结构等，前三种结构方案由于图案较为复杂，给器件设计和制备都带来了一定的难度，故考虑采用嵌套式结构的设计方案。对于极化转换效果的实现，通常有手性结构与各向异性结构两种结构实现极化转换，手性结构由于其不对称性，设计与制备有一定难度，故采用各向异
性结构。通过嵌套式结构和各向异性结构所设计的金属转换层，具备结构简单及各方向上的参数容易控制的有益效果。本发明通过将各向异性结构与嵌套式结构相结合，由于嵌套式结构带来的不同尺寸结构之间的电容耦合效果，使得极化转换频带可以得到扩展，且本发明由于结构简单，易于设计与制备。
67.本实施例在上述长度范围内任选一个参数来论证本发明所提供的极化单元所能实现的技术效果，如图2所示，在上述实施例的基础上设置金属转换层的第一金属结构层3和第二金属结构层4的具体参数为：l＝50.0μm，w＝30.0μm，a＝35.0μm，b＝26μm，c＝5μm，m＝10μm，n＝15μm。其中，l表示第一长矩形的长度的一半，w表示第一短矩形的长度的一半，a表示第三长矩形和第三短矩形的宽度，b表示第二长矩形和第二短矩形的宽度，c表示第三长矩形与第二长矩形在宽度方向上的间距，n表示第三短矩形与第一短矩形在宽度方向上的间距，m表示第三长矩形与第一长矩形在宽度方向上的间距。
68.当x线极化太赫兹波沿-z轴方向垂直入射到极化单元表面时，极化单元的共极化系数表示为r
xx
＝e
rx
/e
ix
，交叉极化系数r
yx
＝e
ry
/e
ix
，其中，r
yx
中x表示入射电磁波极化方向，y表示反射电磁波极化方向。e
ix
表示x极化入射波的能量幅值，e
rx
表示超表面反射x极化波的能量幅值，e
ry
表示y极化反射波的能量幅值。用商业仿真软件cst microwave studio 2020对极化单元的结构进行模拟仿真。
69.如图3所示，当x极化波沿-z轴方向垂直入射时，通过观察仿真软件中的s21参数得到交叉反射系数ryx分别在0.642～0.785thz和1.325～1.362thz两个频带内达到了0.8以上，通过观察s22参数得到共极化反射系数r
xx
低于0.2，即在两个频带内大部分入射x极化波的能量转换为y极化波的能量。
70.通过交叉极化系数和共极化系数，定义线极化转换率
71.如图4所示，极化单元在0.626～0.775thz和1.324～1.369thz两个频带极化转换率达到90％以上，在0.642～0.739thz和1.336～1.365thz两个频带内极化转换率接近100％，实现了完美的线极化转换。
72.根据图4中得到的数据，本发明利用相对带宽计算公式f＝2
×
(f
h-f
l
)/(fh f
l
)，其中fh为频带高频频率，f
l
为频带低频频率，根据公式得出该极化单元的极化转换率达到90％以上的两个频带的相对带宽分别达到了13％和2％，极化转换率接近100％的两个频带的相对带宽达到了21％和3％。
73.基于上述论证，本发明的极化单元的金属转换层可在不同方向上可以对入射电磁波不同分量产生不同的谐振效果，从而对入射电磁波两个垂直方向上的分量产生满足线极化转换的相位差条件(180
°
)和幅度条件，同时两个金属十字结构之间的距离保证了两个结构之间的电容耦合效应，在产生双频带的基础上，同时可以增大两个转换频带的带宽，以此增大了频带利用率，可更好的应用于基于太赫兹的双信道通信、成像和探测领域。
74.实施例二：
75.本实施例二提供了一种基于超表面结构的双频带极化转换器，包括实施例一的一种极化单元，多个所述极化单元按周期性排列在垂直于太赫兹波入射平面上构成所述双频带极化转换器。
76.具体的，由于一个极化单元尺寸是很小的，在后续的半导体制备时很不便捷，因此将多个极化单元按周期性排列在垂直于太赫兹波入射平面上构成双频带的极化转换器，这
样的极化转换器也具备极化单元在0.626～0.775thz和1.324～1.369thz两个频带极化转换率达到90％以上，在0.642～0.739thz和1.336～1.365thz两个频带内极化转换率接近100％，实现了完美的线极化转换的效果。
77.实现在太赫兹双频带的极化转换率达到90％以上时两个频带的相对带宽分别达到了13％和2％，极化转换率接近100％时两个频带的相对带宽达到了21％和3％。
78.实施例三：
79.本实施例三，提供了一种基于超表面结构的双频带极化转换器的制备方法，包括实施例二的一种基于超表面结构的双频带极化转换器，包括：
80.第一步，光刻掩模版清洗：先将光刻掩模版放入含有丙酮的超声清洗仪中清洗，然后将其放入无水乙醇中浸泡，使用去离子水清洗光刻掩模版，最后使用氮气枪吹干光刻掩模版；
81.第二步，介质层清洗：使用丙酮和酒精把介质层清洗干净；
82.第三步，镀金：利用磁控溅射机将厚度为300nm的金和10nm的钛镀在介质层薄膜的两侧；
83.第四步，涂胶与前烘：先将镀金后光刻掩模版的放置于匀胶机上进行匀胶，然后对匀胶后的光刻掩模版进行前烘；
84.第五步，曝光显影：利用光刻机对光刻掩模版进行曝光光刻，然后使用显影液对光刻掩模版进行显影；
85.第六步，刻蚀：利用离子束刻蚀机对厚度为300nm的镀金层进行刻蚀，获得金属转换层；
86.第七步，去胶：将刻蚀完后的光刻掩模版至于丙酮溶液中浸泡，然后使用等离子去胶机去除光刻掩模版表面的光刻胶，最后使用去离子水清洗光刻掩模版并风干。
87.具体的，光刻掩模版清洗。将光刻掩模版放入含有丙酮的超声清洗仪中清洗，去除表面杂志，然后将其放入无水乙醇中浸泡，使用去离子水清洗掩模版，最后用氮气枪吹干。
88.基片清洗。事先用丙酮和酒精把聚酰亚胺基片清洗干净，并要使衬底聚酰亚胺表面保持干燥，其目的是保证镀au的均匀性以及衬底和金属之间的粘合性。
89.介质层选用聚酰亚胺，聚酰亚胺薄膜镀金。利用磁控溅射机fhr将厚度为300nm的金和10nm的钛镀在聚酰亚胺膜的两侧，加入钛是为了增加金属与聚酰亚胺之间的粘附性。金属反射层的厚度保证了电磁波可以在底层发生全反射，增加极化转换效率，所述钛层保证了金属层与介质层良好的粘合性，又不至于影响其极化转换效果，面积达到120微米*120微米保证了器件的工作频带位于0.1-2thz上。
90.涂胶与前烘。将样品放置于匀胶机上进行匀胶，然后对匀胶后的样品进行前烘。
91.曝光显影。利用光刻机对样品进行曝光光刻，然后使用显影液对样品进行显影。
92.刻蚀。利用离子束刻蚀机对厚度为300nm的镀金层进行刻蚀。得到的金属转换层的厚度也为300nm，保证电磁波可在金属转换层发生谐振，产生极化转换效果。
93.去胶。将刻蚀完后的样品至于丙酮溶液中浸泡，然后使用等离子去胶机去除样品表面的光刻机，最后使用去离子水清洗样品并风干。
94.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明
的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。