一种可切换双功能超材料宽带吸收器/波束偏转器

1.本发明属于超材料宽带吸收器和波束偏转器技术领域，具体涉及一种可切换双功能超材料宽带吸收器/波束偏转器。


背景技术：

2.超材料具有不同于传统材料的独特性质，为实现电磁波的调控开辟了一条新的途径，通过合理地设计结构，电磁波的谐振频率、振幅和相位可被主动调节，实现不同的电磁响应。因具有厚度薄、功耗低、功能可定制等优点，使其在吸收器、极化转化器、雷达隐身、波束偏转器、聚焦透镜和涡旋光束生成等众多器件中具有重要的应用。
3.2008年，landy等人首次提出了超材料完美吸收器的概念，所设计的超材料是由顶部开口环谐振腔、中间介质间隔层以及底部金属条反射层组成的三层单元结构，使其能够在特定频率点处超材料的阻抗与自由空间的阻抗实现完美匹配，实现了接近100％的窄带吸收。之后，针对太阳能吸收、雷达隐身、红外成像等实际应用，研究人员对吸收器的性能和工作频段进行了大量研究。一是在性能方面，设计出了大量角度和极化不敏感的完美吸收器，金属谐振器结构为中心对称图案；二是在频段方面，设计出了大量窄带、宽带、多频段完美吸收器，覆盖了微波、太赫兹、红外以及可见光波段。吸收器是对电磁波的振幅进行调控，而随后对于电磁波的相位调控研究人员也做了大量研究。2014年，cui等人首次提出了编码超表面的概念，将介于0到2π之间的相位响应离散化处理后进行编码，设计不同的单元结构进行排列来实现自由操纵电磁波。例如，2016年，liu等人设计出相位差为π/2的4个编码单元，对其进行不同的排列实现了对反射波束向任意预先设计的方向偏转，并在此之上引入卷积定理实现了对反射波束仰角以及方位角的扫描。
4.传统吸收器和波束偏转器只能实现单一的功能满足不了实际的需求。近年来研究人员通过在结构中引入二氧化钒(vo2)、砷化镓、光敏材料、石墨烯等可调谐材料，通过外部激励控制，实现多种功能的灵活切换。其中vo2作为一种相变材料，在340k左右的临界温度下实现从绝缘态向金属态转变的特性，为设计多功能超材料器件提供了一种新的思路。例如，2020年，zhang等人通过在结构中引入vo2，实现了宽频带与多频带吸收；2022年，li等人设计了基于vo2切割线的编码超表面，可在波束异常反射与正常反射之间进行动态切换。然而，对于集成宽带吸收和波束偏转双功能超材料的研究没有得到广泛开展。


技术实现要素：

5.针对如何在一个超材料结构中集成具有高效的宽带吸收和波束偏转两种功能，并且通过改变温度能够对功能进行灵活切换的问题，本发明提供了一种可切换双功能超材料宽带吸收器/波束偏转器。
6.为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
7.一种可切换双功能超材料宽带吸收器/波束偏转器，从上到下包括vo2图案层、第一介质层、金属图案层、连续vo2层、第二介质层和金属反射板；
8.所述vo2图案层由四种尺寸大小不同的vo2图案结构单元00、01、10、11根据特定的编码序列排列而成，每个vo2图案结构单元是由一个正方形vo2块的四边分别刻蚀出一个半圆形凹槽构成的；
9.所述金属图案层由24
×
24个正方形金属块的单元结构组成，每个正方形金属块的单元结构是由刻蚀有两个垂直交叉的椭圆形凹槽和有四个长方形条状凹槽构成的。
10.进一步，所述金属图案层中每个正方形金属块的单元结构是中心刻蚀有两个垂直交叉的椭圆形凹槽以及在正方形金属块的单元结构的对角线上刻蚀有四个长方形条状凹槽，且四个长方形条状凹槽围绕在两个垂直交叉的椭圆形凹槽的周围。
11.进一步，所述vo2图案层中特定的编码序列是指对四种不同尺寸的vo2图案结构单元00、01、10、11以00-00-00-01-01-01-10-10-10-11-11-11为序列周期的排列编码。
12.进一步，所述正方形vo2块的边长为半圆形凹槽半径的6倍。
13.进一步，所述半圆形凹槽的圆心位于正方形vo2块边长的中心。
14.进一步，所述两个交叉椭圆形凹槽大小相等且垂直位于正方形金属块中心。
15.进一步，所述四个条状形凹槽大小相等且斜放置在两个交叉椭圆形凹槽的四个斜对角上。
16.进一步，所述vo2图案层和连续vo2层具有相同的电性能；工作时，在室温下，vo2处于绝缘状态，vo2电导率为σ
vo2
＝200s/m；该双功能超材料工作在宽带吸收模式，可以对入射电磁波实现完美宽带吸收的效果；温度升高至340k，此时vo2处于金属状态，vo2电导率为σ
vo2
＝2
×
105s/m，该多功能超材料处于波束偏转工作模式，可以操纵入射波进行一定角度的偏转。
17.进一步，所述四种不同尺寸大小的vo2图案结构单元00、01、10、11具有不同正方形vo2块的边长以及半圆形凹槽半径。
18.进一步，所述第一介质层和第二介质层为聚酰亚胺；所述金属图案层和金属反射板材料为铬。
19.与现有技术相比本发明具有以下优点：
20.本发明设计了一种基于vo2的双功能超材料宽带吸收器/波束偏转器。在一个超材料结构中集成了高效的宽频段吸收、波束偏转两种功能，通过改变vo2的温度实现功能的灵活切换。室温下，二氧化钒表现为绝缘态，入射的电磁波与超材料发生电磁响应实现完美吸收；当温度升高至340k，vo2表现为金属态，入射波经过超材料后可实现反射波束的偏转。这在太赫兹开关、调制以及波束扫描器件的设计中具有巨大的发展潜力。本发明能够通过改变温度自由控制其工作模式，结构简单，集成度高，具有更广阔的应用前景。
附图说明
21.图1为本发明实施例提供的一种可切换双功能超材料宽带吸收器/波束偏转器的阵列结构示意图。
22.图2为本发明实施例提供的一种可切换双功能超材料宽带吸收器/波束偏转器的结构单元示意图。
23.图3为本发明实施例提供的一种可切换双功能超材料宽带吸收器/波束偏转器的vo2图案层四种不同尺寸的结构单元的正视图。
24.图4为本发明实施例提供的一种可切换双功能超材料宽带吸收器/波束偏转器的金属图案层结构单元的正视图。
25.图5为本发明实施例提供的一种可切换双功能超材料宽带吸收器/波束偏转器的结构单元侧视图。
26.图6为本发明实施例提供的一种可切换双功能超材料宽带吸收器/波束偏转器工作在宽带吸收模式时的反射系数和吸收率曲线图。
27.图7为本发明实施例提供的一种可切换双功能超材料宽带吸收器/波束偏转器工作在波束偏转模式下所涉及的四种不同尺寸的vo2图案结构单元的反射系数和反射相位图。
28.图8为本发明实施例提供的一种可切换双功能超材料宽带吸收器/波束偏转器工作在波束偏转模式下的编码序列示意图。
29.图9为本发明实施例提供的一种可切换双功能超材料宽带吸收器/波束偏转器工作在波束偏转模式下归一化的三维远场散射图和二维散射图。
30.图中，1、vo2图案层；2、第一介质层；3、金属图案层；4、连续vo2层；5、第二介质层；6、金属反射板；7、半圆形凹槽；8、椭圆形凹槽；9、条状形凹槽。
具体实施方式
31.为了使本发明的目的、技术方案及结果效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
32.实施例1
33.一种可切换双功能超材料宽带吸收器/波束偏转器，如图1所示，从上到下包括vo2图案层1、第一介质层2、金属图案层3、连续vo2层4、第二介质层5和金属反射板6；
34.所述vo2图案层1由四种尺寸大小不同的vo2图案结构单元00、01、10、11根据特定的编码序列排列而成，每个vo2图案结构单元是由一个正方形vo2块的四边分别刻蚀出一个半圆形凹槽7构成的；
35.所述金属图案层3由24
×
24个正方形金属块的单元结构组成，每个正方形金属块的单元结构是由刻蚀有两个垂直交叉的椭圆形凹槽8和有四个长方形条状凹槽9构成的。
36.实施例2
37.一种可切换双功能超材料宽带吸收器/波束偏转器，如图1所示，从上到下包括vo2图案层1、第一介质层2、金属图案层3、连续vo2层4、第二介质层5和金属反射板6；
38.所述vo2图案层1由四种尺寸大小不同的vo2图案结构单元00、01、10、11根据特定的编码序列排列而成，每个vo2图案结构单元是由一个正方形vo2块的四边分别刻蚀出一个半圆形凹槽7构成的；正方形vo2块的边长为半圆形凹槽7半径的6倍；半圆形凹槽7圆心位于正方形vo2块边长的中心位置；四个不同尺寸的vo2图案单元结构具有不同的正方形vo2块的边长以及半圆形半径；特定的编码序列是指对四种不同尺寸的vo2图案结构单元00、01、10、11以00-00-00-01-01-01-10-10-10-11-11-11为序列周期的排列编码
39.vo2图案层1和连续vo2层4具有相同的电性能。
40.所述金属图案层3由24
×
24个正方形金属块的单元结构组成，每个正方形金属块
的单元结构是由刻蚀有两个垂直交叉的椭圆形凹槽8和有四个长方形条状凹槽9构成的。两个交叉椭圆形凹槽8大小相等且垂直位于正方形金属块中心，四个条状形凹槽9大小相等且斜放置在两个交叉椭圆形凹槽8的四个斜对角上。
41.实施例3
42.一种可切换双功能超材料宽带吸收器/波束偏转器，从上到下包括vo2图案层1、第一介质层2、金属图案层3、连续vo2层4、第二介质层5和金属反射板6；
43.如图2所示，其中单元边长为90μm。vo2图案层1和连续vo2层4厚度均为1μm，室温下，vo2电导率为σ
vo2
＝200s/m，表现为绝缘态；温度升高至340k时，vo2电导率为σ
vo2
＝2
×
105s/m时，表现为金属态。第一介质层2和第二介质层5材料为聚酰亚胺，介电常数为2.4，损耗正切角为0.00208，厚度分别为45μm和34μm；金属图案层3和金属反射板6材料为铬，电导率为2.2
×
105s/m，厚度均为0.3μm。
44.所述vo2图案层1由四种尺寸大小不同的vo2图案结构单元00、01、10、11根据特定的编码序列排列而成，每个vo2图案结构单元是由一个正方形vo2块的四边分别刻蚀出一个半圆形凹槽7构成的；
45.所述金属图案层3由24
×
24个正方形金属块的单元结构组成，每个正方形金属块的单元结构是由刻蚀有两个垂直交叉的椭圆形凹槽8和有四个长方形条状凹槽9构成的。
46.实施例4
47.一种可切换双功能超材料宽带吸收器/波束偏转器，如图1所示，从上到下包括vo2图案层1、第一介质层2、金属图案层3、连续vo2层4、第二介质层5和金属反射板6；
48.所述vo2图案层1由四种尺寸大小不同的vo2图案结构单元00、01、10、11根据特定的编码序列排列而成，每个vo2图案结构单元是由一个正方形vo2块的四边分别刻蚀出一个半圆形凹槽7构成的；如图3所示，本实施例中的一种可切换双功能超材料宽带吸收器/波束偏转器的vo2图案层1中四种不同尺寸的vo2图案单元结构的正视图；四个不同尺寸大小的vo2图案结构单元00、01、10、11具有不同正方形vo2块的边长和半圆形凹槽半径。其中结构单元00正方形vo2板边长为60μm，半圆形凹槽半径为10μm；结构单元01正方形vo2板边长为12μm，半圆形凹槽半径为2μm；结构单元10正方形vo2板边长为90μm，半圆形凹槽半径为15μm；结构单元11正方形vo2板边长为75μm，半圆形凹槽半径为12.5μm。
49.所述金属图案层3由24
×
24个正方形金属块的单元结构组成，每个正方形金属块的单元结构是由刻蚀有两个垂直交叉的椭圆形凹槽8和有四个长方形条状凹槽9构成的。
50.实施例5
51.一种可切换双功能超材料宽带吸收器/波束偏转器，如图1所示，从上到下包括vo2图案层1、第一介质层2、金属图案层3、连续vo2层4、第二介质层5和金属反射板6；
52.所述vo2图案层1由四种尺寸大小不同的vo2图案结构单元00、01、10、11根据特定的编码序列排列而成，每个vo2图案结构单元是由一个正方形vo2块的四边分别刻蚀出一个半圆形凹槽7构成的；
53.所述金属图案层3由24
×
24个正方形金属块的单元结构组成，如图4所示，本实施例中的一种可切换双功能超材料宽带吸收器/波束偏转器的金属图案层结构单元的正视图，是在一个正方形金属块上刻蚀出两个垂直相交的椭圆形凹槽8和四个条状凹槽9，正方形金属块的边长为70μm，两个交叉椭圆形凹槽8大小相等，长轴和短轴分别为28μm和8μm，位
于结构单元中心。四个条状形凹槽9尺寸大小也相等，长和宽分别为36μm和5.5μm，斜放置在两个交叉椭圆孔8的四个斜对角上。
54.实施例6
55.一种可切换双功能超材料宽带吸收器/波束偏转器，如图5所示，从上到下包括vo2图案层1、第一介质层2、金属图案层3、连续vo2层4、第二介质层5和金属反射板6；
56.其中每层边长为90μm。vo2图案层1和连续vo2层4厚度均为1μm，室温下，vo2电导率为σ
vo2
＝200s/m，表现为绝缘态；温度升高至340k时，vo2电导率为σ
vo2
＝2
×
105s/m时，表现为金属态。第一介质层2和第二介质层5材料为聚酰亚胺，介电常数为2.4，损耗正切角为0.00208，厚度分别为45μm和34μm；金属图案层3和金属反射板6材料为铬，电导率为2.2
×
105s/m，厚度均为0.3μm。
57.所述vo2图案层1由四种尺寸大小不同的vo2图案结构单元00、01、10、11根据特定的编码序列排列而成，四个不同尺寸大小的vo2图案结构单元00、01、10、11具有不同正方形vo2块的边长和半圆形凹槽半径；每个vo2图案结构单元是由一个正方形vo2块的四边分别刻蚀出一个半圆形凹槽7构成的；其中结构单元00正方形vo2板边长为60μm，半圆形凹槽半径为10μm；结构单元01正方形vo2板边长为12μm，半圆形凹槽半径为2μm；结构单元10正方形vo2板边长为90μm，半圆形凹槽半径为15μm；结构单元11正方形vo2板边长为75μm，半圆形凹槽半径为12.5μm。
58.所述金属图案层3由24
×
24个正方形金属块的单元结构组成，是在一个正方形金属块上刻蚀出两个垂直相交的椭圆形凹槽8和四个条状凹槽9，正方形金属块的边长为70μm，两个交叉椭圆形凹槽8大小相等，长轴和短轴分别为28μm和8μm，位于结构单元中心。四个条状形凹槽9尺寸大小也相等，长和宽分别为36μm和5.5μm，斜放置在两个交叉椭圆孔8的四个斜对角上。
59.实施例7
60.将上述实施例中的单元结构使用商业cst microwave studio 2020频域求解器进行仿真计算，沿着x和y轴方向分别设置为unit cell边界条件，在z轴方向上设置为add space边界条件；阵列结构使用商业cst microwave studio 2020时域求解器进行仿真计算，沿着x、y和z轴方向上均设置为add space边界条件。电磁波沿着z轴负方向入射到材料表面。
61.当超材料处于室温下，二氧化钒表现为绝缘态，此时金属图案层3、第二介质层5和金属反射板6与入射波发生电磁响应，使得该多功能超材料处于宽带吸收工作模式，可以对入射电磁波实现完美宽带吸收的效果。吸收率可以由下式计算：
62.a(ω)＝1-r(ω)-t(ω)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
63.其中r(ω)为反射率，对于入射线极化波，r(ω)＝|r
ij
|2 |r
jj
|2，其中i,j＝x,y，r
ij
为交叉极化反射系数，表示由j极化波转为i极化波；r
jj
为共极化反射系数，表示由j极化波转为j极化波。t(ω)为透射率，由于入射电磁波的趋肤深度远小于金衬底的厚度，因此透射率为零，即t(ω)＝0。
64.如图6所示，在0.50-1.95thz范围内，反射率始终低于0.1，吸收率超过90％，相对带宽达到118％；当温度升高至340k时，二氧化钒为金属态，此时vo2图案层1、第一介质层2、连续vo2层4构成编码超表面实现一定角度的反射波束偏转。所设计的四种不同尺寸的vo2图
案单元结构00、01、10、11能够实现2π的相移和较高的反射率。
65.如图7所示，在0.71thz处，共极化反射系数达到0.8以上，并且相邻两个结构单元之间的相位差为π/2，显然满足2bit编码的要求。对四种不同尺寸的vo2图案结构单元00、01、10、11以00-00-00-01-01-01-10-10-10-11-11-11为序列周期的排列编码。编码序列示意图如图8。上述的编码序列在λ＝426μm(0.71thz)，可实现2π相位变化的一个周期为12个单元，一个单元的大小为90μm。值得注意的是，设计不同周期的梯度编码序列则可实现不同角度的偏转，在此之上引入卷积定理则可实现对仰角和方位角的扫描，具有一定的灵活性。
66.图9为仿真出归一化的三维远场散射图和二维散射图，可以发现反射波束发生了异常偏转，且根据二维归一化散射图可以读出偏转角度为23
°
。
67.因此，本发明在一个超材料结构中集成了宽带吸收和波束偏转两种功能，通过改变vo2的温度，可以灵活的切换其工作模式。该器件在太赫兹开关、调制以及波束扫描器件中具有重要的应用价值。
68.本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，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。