基于L形超材料的太赫兹宽带偏振转换器

周璐; 赵国忠; 李永花

doi:doi:10.3788/LOP55.041602

激光与光电子学进展, 2018, 55 (4): 041602, 网络出版: 2018-09-11

基于L形超材料的太赫兹宽带偏振转换器下载： 1431次

Broadband Terahertz Polarization Converter Based on L-Shaped Metamaterial

论文大纲

周璐赵国忠 ^*李永花

作者单位

首都师范大学物理系太赫兹光电子学教育部重点实验室, 北京 100048

材料太赫兹宽带偏振转换 L形 materials terahertz broadband polarization conversion L shape

AI 词云图 AI一句话精读 AI短摘要

注：本部分内容由 AI 自动生成，请您知悉。

摘要

提出了一种基于L形微结构单元阵列的太赫兹波段宽带反射式偏振转换器,数值分析了由L形微结构单元阵列超材料、电介质层和金属板组成的偏振转换器的特性。结果表明,所提偏振转换器可以将线偏振波转换为交叉偏振波,还可以在两个特殊频率下将线偏振波转换成圆偏振波。在0.64~1.19 THz的频率范围内,可以实现大于80%转换率的偏振转换,最大偏振转换率达到95%以上。此外,在一定的斜入射条件下,所提偏振转换器可以保持良好的偏振转换性能。

Abstract

A broadband reflection polarization converter in the terahertz frequency regime is proposed based on the L-shaped microstructured cell arrays. The characteristics of this polarization converter composed of L-shaped microstructured cell array, dielectric layer, and metal plates are numerically analyzed. The results demonstrate that the proposed polarization converter can not only convert a linearly polarized (LP) wave into a cross-polarized wave, but also convert LP waves into circularly polarized (CP) waves at two specific frequencies. In the frequency range of 0.64-1.19 THz, the polarization conversion ratio (PCR) is more than 80%, and the maximum PCR is more than 95%. In addition, the proposed converter can maintain a good polarization conversion performance under certain oblique incidence conditions.

1 引言

近年来,太赫兹技术飞速发展,在成像^[1]、传感^[2]和通信^[3]等领域得到广泛的应用。高性能的太赫兹组件是实现对太赫兹波操纵的关键,如偏振器、衰减器、开关、相移器和调制器等^[4]。偏振调制是操纵太赫兹波的一个重要方面,传统的偏振器用天然双折射材料制成,具有有限的操作带宽^[5]。因此,作为一种基于人造复合材料的超材料引起了学者们极大的兴趣^[6]。目前,已经通过设计不同的超材料微结构实现了多种高效太赫兹偏振转换器,可用于不同偏振状态之间的转换。例如,将线偏振波转换为交叉偏振的线偏振波^[7-12],将线偏振波转换为圆偏振波^[13-14],或是将左(右)旋圆偏振波转换为右(左)旋圆偏振波^[15]。与传统偏振器件相比,基于超材料的偏振转换器具有工作带宽较宽、偏振转换效率高以及可小型化等优点。Yong等^[16]提出了一种反射式超宽带偏振转换器,在0.53~1.36 THz的范围内将线偏振波转换为交叉偏振的线偏振波,但偏振转换率仅大于50%,转换效率相对较低。Li等^[17]提出了一种Z形反射式偏振转换器,在0.116~0.26 THz的范围内实现了线偏振波向交叉偏振线偏振波的转换,转换率大于80%,但工作带宽很窄。本文提出了一种基于L形微结构单元阵列的太赫兹波段宽带反射式偏振转换器,在太赫兹波段实现了高效率的偏振转换,且在一定斜入射条件下,该偏振转换器仍能保持良好的偏振转换性能。该研究结果为利用超材料实现太赫兹偏振转换提供了参考。

2 偏振转换器的结构设计

所设计的偏振转换器的结构单元如图1所示。此结构包括三层:表层为多个L形的金属结构,金属为银,其厚度d₁=0.2 μm;中间介质层为聚酰亚胺,介电常数为3.5,其厚度t=35 μm;底层为金属板,金属为银,厚度d₁=0.2 μm。图1(b)所示为其正视图,多个L形金属结构的参数如下:臂长L=65 μm,宽度w=9 μm,间距d=3 μm,周期p=150 μm。采用CST MICROWAVE STUDIO软件进行数值模拟,分析偏振转换器的反射特性。在模拟中,对结构单元采用周期性边界条件,采用x偏振波垂直于结构入射。

图 1. 基于超材料的偏振转换器的结构单元。(a)侧视图;(b)正视图

Fig. 1. Unit cell of polarization converter based on metamaterial. (a) Side view; (b) front view

下载图片查看所有图片

为了更好地理解偏振转换,将x至x和x至y偏振转换的反射系数分别定义为

$\begin{matrix} r_{xx} = |\frac{E_{xr}}{E_{xi}}|, r_{yx} = |\frac{E_{yr}}{E_{xi}}|, (1) \end{matrix}$

式中E_x_r和E_x_i分别表示偏振方向沿着x轴的反射太赫兹波和入射太赫兹波的振幅,E_y_r表示偏振方向沿着y轴的反射太赫兹波的振幅。对于线偏振转换,偏振转换率(PCR)为

$\begin{matrix} P_{PCR} = \frac{r_{yx}^{2}}{r_{yx}^{2} + r_{xx}^{2}}, (2) \end{matrix}$

式中r_xx和r_yx分别表示共偏振反射系数和交叉偏振反射系数。反射电磁波的y分量和x分量之间的相位差为

$\begin{matrix} Δ φ_{yx} = \arg (r_{yx}) - \arg (r_{xx}), (3) \end{matrix}$

式中Δφ_yx可以取[-180°,180°]范围的任意值,表明反射波能实现所有可能的偏振状态。

转换后反射波的偏振方向与入射波偏振方向之间的夹角^[18]为

$\begin{matrix} η = \arctan (\frac{E_{yr}}{E_{xi}}) 。 (4) \end{matrix}$

3 结果与分析

图2所示为共偏振反射系数r_xx和交叉偏振反射系数r_yx以及偏振转换率的仿真结果。从图2(a)可以看出,在0.689 THz和0.924 THz两个谐振频率下,反射系数r_yx分别为0.97和0.98,r_xx分别为0.026和0.005。从图2(b)可以看出,两个谐振频率下的偏振转换率均能达到1,表明在这两个频率下,几乎所有x(y)偏振入射波都转化为y(x)偏振波。此外,在0.64~1.19 THz的频率范围内(带宽为0.55 THz),可实现偏振转换率大于80%的交叉偏振转换,在0.65~1.06 THz的频率范围内(带宽为0.41 THz),可实现偏振转换率大于90%的交叉偏振转换。

图3所示为不同L形贴片个数下偏振转换器的偏振转换率的仿真结果。可以看出,当只有一个L形贴片结构时,该结构实现的是双带偏振转换效果;当叠加两个L形贴片结构时,该结构实现的是两个谐振频率间偏振转换率较小的宽带偏振转换效果;当L型贴片结构增加到三个时,该反射式偏振转换器可以在0.71~1.34 THz的频率范围内(带宽为0.63 THz),实现偏振转换率大于80%的交叉偏振转换。由此可知,随着L形贴片个数的增加,谐振频率点向左移动,两个谐振频率间的偏振转换率显著增大。

图 2. 偏振转换器的(a)共偏振反射系数rxx和交叉偏振反射系数ryx以及(b)偏振转换率

Fig. 2. (a) Co-polarization reflection coefficient rxx, cross-polarization reflection coefficient ryx, and (b) PCR of polarization converter

下载图片查看所有图片

图 3. 不同L形贴片个数下偏振器的偏振转换率

Fig. 3. PCR of polarization converters with different numbers of L-shaped patches

下载图片查看所有图片

在数值模拟过程中,各结构参数对结果的影响不同。已有相关研究,如超材料单元尺寸^[19]、介质层介电常数及厚度^[20]等对波调控的影响。这里只针对所提出的偏振转换器表层多个L形的金属结构中的各参数对波调控的影响进行讨论。在能够实现宽带偏振转换效果的情况下,当臂长L增大时,谐振频率点向低频方向移动,两个谐振频率间的交叉偏振反射系数r_yx减小,共偏振反射系数r_xx增大,即在两个谐振频率间的偏振转换率减小。因此,臂长L选择较小的数值较为合适,但L过小会使宽带偏振转换效果消失。通过数值仿真,得到L=65 μm为最合适的臂长。在能够实现宽带偏振转换效果的情况下,当宽度w增大时,左侧谐振频率点位置不变,右侧谐振频率点向低频方向移动,即带宽减小,但两个谐振频率间的偏振转换率增大,仿真结果表明,w=9 μm为最合适的宽度。另外,在能够实现宽带偏振转换效果的情况下,间距d的大小对偏振转换效果影响不大。

基于四个L形超材料偏振转换器的相位差Δφ_yx如图4所示。在0.689 THz和0.924 THz的谐振频率下,线偏振波转换为其交叉偏振波,Δφ_yx=0°。然而,在0.61 THz和1.28 THz的频率下, $\begin{matrix} |r_{yx}| \end{matrix}$ / $\begin{matrix} |r_{xx}| \end{matrix}$ =1时,Δφ_yx=90°,表示线偏振波转换为圆偏振波。

图 4. ryx和rxx及其相对相位Δφyx与频率的关系.(a)完整图像;(b)局部图像

Fig. 4. ryx, rxx, and their corresponding relative phase Δφyx versus frequency. (a) Full figure; (b) partial figure

下载图片查看所有图片

进一步的数值模拟表明,在一定斜入射条件下,所设计的偏振转换器能基本维持其性能。图5(a) 所示为不同入射角θ下r_yx的模拟结果。可以看出,当入射角从0°增加到30°,r_yx的大小仍与θ=0°下的情况相差不多。图5(b)所示为不同入射角θ下r_xx的模拟结果。

为了更好地理解所设计的偏振转换器的物理机制,分析了0.689 THz和0.924 THz两个谐振频率下顶层结构和底层金属板上的电流分布,如图6所示。可以看出,在两个谐振频率下,底层金属板上的感生电流均与顶层超材料表面的电流反向,在电介质层中形成了电流环,由此可以判断,在两个谐振频率处产生的共振是磁共振。在0.689 THz的谐振频率下,当入射波为沿x轴方向的线偏振波时,感应磁场H沿着左下方向。感应磁场的y分量H_y垂直于入射电场E_i,因此H_y与E_i之间不存在交叉耦合,对偏转转换没有影响。但感应磁场的x分量H_x与电场E_i平行,激发了垂直于x方向的电场(即垂直于入射电场的y偏振波),实现了偏振转换。同理,在0.924 THz的谐振频率下,当入射波为沿x轴方向的线偏振波时,感应磁场H沿着右下方向。感应磁场的y分量H_y垂直于入射电场E_i,不能引起偏振转换。但x分量H_x与电场E_i平行,激发了垂直于x方向的电场(即垂直于入射电场的y偏振波)。

图 5. 不同入射角下(a) ryx和(b) rxx的模拟结果

Fig. 5. Simulated results of (a) ryx and (b) rxx under different incident angles

下载图片查看所有图片

图 6. 表层金属和底层金属板上的电流分布。(a) 0.689 THz;(b) 0.924 THz

Fig. 6. Current distributions at front metal and bottom metal plate. (a) 0.689 THz; (b) 0.924 THz

下载图片查看所有图片

4 结论

设计并仿真分析了一种太赫兹波段的宽带反射式偏振转换器。这种转换器可以将线偏振波转换为其交叉偏振波,在0.64~1.19 THz的频率范围内,可实现大于80%的偏振转换效率,也可以在0.61 THz和1.28 THz两个特定频率下,实现线偏振到圆偏振的转换。此外,当偏振波的入射角从0°增大到30°时,所提出的转换器仍可以保持良好的偏振转换性能。因此,所提出的偏振转换器的特性在太赫兹领域具有潜在的应用价值。

参考文献

[1] 刘影, 赵国忠, 申彦春. 连续太赫兹波偏振成像检测[J]. 中国激光, 2016, 43(1): 0111001.

Liu Y, Zhao G Z, Shen Y C. Polarization imaging detection based on the continuous terahertz wave[J]. Chinese Journal of Lasers, 2016, 43(1): 0111001.

[2] 孙雅茹, 史同璐, 刘建军, 等. 太赫兹超材料类EIT谐振无标记生物传感[J]. 光学学报, 2016, 36(3): 0328001.

Sun Y R, Shi T L, Liu J J, et al. Terahertz label-free bio-sensing with EIT-like metamaterials[J]. Acta Optica Sinica, 2016, 36(3): 0328001.

[3] 耿莉, 谢亚楠, 原媛. 基于石墨烯的太赫兹方向图可重构天线[J]. 激光与光电子学进展, 2017, 54(3): 031602.

Geng L, Xie Y N, Yuan Y. Graphene-based antenna with reconfigurable radiation pattern in terahertz[J]. Laser& Optoelectronics Progress, 2017, 54(3): 031602.

[4] Chen C Y, Tsai T R, Pan C L, et al. Room temperature terahertz phase shifter based on magnetically controlled birefringence in liquid crystals[J]. Applied Physics Letters, 2003, 83(22): 4497-4499.

[5] Rutz F, Hasek T, Koch M, et al. Terahertz birefringence of liquid crystal polymers[J]. Applied Physics Letters, 2006, 89(22): 221911.

[6] Withayachumnankul W, Abbott D. Metamaterials in the terahertz regime[J]. IEEE Photonics Journal, 2009, 1(2): 99-118.

[7] Cong L Q, Cao W, Zhang X Q, et al. A perfect metamaterial polarization rotator[J]. Applied Physics Letters, 2013, 103(17): 171107.

[8] Cheng H, Chen S Q, Yu P, et al. Dynamically tunable broadband mid-infrared cross polarization converter based on graphene metamaterial[J]. Applied Physics Letters, 2013, 103(22): 223102.

[9] Lévesque Q, Makhsiyan M, Bouchon P, et al. Plasmonic planar antenna for wideband and efficient linear polarization conversion[J]. Applied Physics Letters, 2014, 104(11): 111105.

[10] Ma H F, Wang G Z, Kong G S, et al. Broadband circular and linear polarization conversions realized by thin birefringent reflective metasurfaces[J]. Optical Materials Express, 2014, 4(8): 1717-1724.

[11] Jiang S C, Xiong X, Sarriugarte P, et al. Tuning the polarization state of light via time retardation with a microstructured surface[J]. Physical Review B, 2013, 88(16): 161104.

[12] 余积宝, 马华, 王甲富, 等. 基于开口椭圆环的高效超宽带极化旋转超表面[J]. 物理学报, 2015, 64(17): 0178101.

Yu J B, Ma H, Wang J F, et al. High-efficiency ultra-wideband polarization conversion metasurfaces based on split elliptical ring resonators[J]. Acta Physica Sinica, 2015, 64(17): 0178101.

[13] Hao J M, Yuan Y, Ran L X, et al. Manipulating electromagnetic wave polarizations by anisotropic metamaterials[J]. Physical Review Letters, 2007, 99(6): 063908.

[14] Sun W J, He Q, Hao J M, et al. A transparent metamaterial to manipulate electromagnetic wave polarizations[J]. Optics Letters, 2011, 36(6): 927-929.

[15] Wu L, Yang Z Y, Cheng Y Z, et al. Circular polarization converters based on bi-layered asymmetrical split ring metamaterials[J]. Applied Physics A, 2014, 116(2): 643-648.

[16] Yong Z C, Withawat W, Aditi U, et al. Ultrabroadband reflective polarization convertor for terahertz waves[J]. Applied Physics Letters, 2014, 105(18): 181111.

[17] LiM, LanF, Yang ZQ, et al. Broadband and highly efficient sub-THz reflective polarization converter based on Z-shaped metasurface[C]. 6 th International Conference on Mechatronics, Materials, Biotechnology and Environment , 2016: 427- 432.

[18] Mutlu M, Ozbay E. A transparent 90° polarization rotator by combining chirality and electromagnetic wave tunneling[J]. Applied Physics Letters, 2012, 100(5): 051909.

[19] 吴俊芳, 孙明昭, 张淳民. 左手材料的响应频段和单元尺寸关系的研究[J]. 物理学报, 2009, 58(6): 3844-3847.

Wu J F, Sun M Z, Zhang C M. The relationship between resonant frequency band and cell size in left-handed materials[J]. Acta Physica Sinica, 2009, 58(6): 3844-3847.

[20] 敖天宏, 许向东, 黄锐, 等. 介质层对超材料太赫兹响应特性的控制规律[J]. 红外与毫米波学报, 2015, 34(3): 333-339.

Ao T H, Xu X D, Huang R, et al. Control of terahertz response properties of metamaterials by dielectric layer[J]. Journal of Infrared and Millimeter Waves, 2015, 34(3): 333-339.

周璐, 赵国忠, 李永花. 基于L形超材料的太赫兹宽带偏振转换器[J]. 激光与光电子学进展, 2018, 55(4): 041602. Lu Zhou, Guozhong Zhao, Yonghua Li. Broadband Terahertz Polarization Converter Based on L-Shaped Metamaterial[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2018, 55(4): 041602.

基于L形超材料的太赫兹宽带偏振转换器下载： 1431次

1 引言

2 偏振转换器的结构设计

图 1. 基于超材料的偏振转换器的结构单元。(a)侧视图;(b)正视图

Fig. 1. Unit cell of polarization converter based on metamaterial. (a) Side view; (b) front view

3 结果与分析

图 2. 偏振转换器的(a)共偏振反射系数rxx和交叉偏振反射系数ryx以及(b)偏振转换率

Fig. 2. (a) Co-polarization reflection coefficient rxx, cross-polarization reflection coefficient ryx, and (b) PCR of polarization converter

图 3. 不同L形贴片个数下偏振器的偏振转换率

Fig. 3. PCR of polarization converters with different numbers of L-shaped patches

图 4. ryx和rxx及其相对相位Δφyx与频率的关系.(a)完整图像;(b)局部图像

Fig. 4. ryx, rxx, and their corresponding relative phase Δφyx versus frequency. (a) Full figure; (b) partial figure

图 5. 不同入射角下(a) ryx和(b) rxx的模拟结果

Fig. 5. Simulated results of (a) ryx and (b) rxx under different incident angles

图 6. 表层金属和底层金属板上的电流分布。(a) 0.689 THz;(b) 0.924 THz

Fig. 6. Current distributions at front metal and bottom metal plate. (a) 0.689 THz; (b) 0.924 THz

4 结论

Article Outline

关于本站 Cookie 的使用提示

全站搜索

基于L形超材料的太赫兹宽带偏振转换器 下载： 1431次

1 引言

2 偏振转换器的结构设计

图 1. 基于超材料的偏振转换器的结构单元。(a)侧视图;(b)正视图

Fig. 1. Unit cell of polarization converter based on metamaterial. (a) Side view; (b) front view

3 结果与分析

图 2. 偏振转换器的(a)共偏振反射系数rxx和交叉偏振反射系数ryx以及(b)偏振转换率

Fig. 2. (a) Co-polarization reflection coefficient rxx, cross-polarization reflection coefficient ryx, and (b) PCR of polarization converter

图 3. 不同L形贴片个数下偏振器的偏振转换率

Fig. 3. PCR of polarization converters with different numbers of L-shaped patches

图 4. ryx和rxx及其相对相位Δφyx与频率的关系.(a)完整图像;(b)局部图像

Fig. 4. ryx, rxx, and their corresponding relative phase Δφyx versus frequency. (a) Full figure; (b) partial figure

图 5. 不同入射角下(a) ryx和(b) rxx的模拟结果

Fig. 5. Simulated results of (a) ryx and (b) rxx under different incident angles

图 6. 表层金属和底层金属板上的电流分布。(a) 0.689 THz;(b) 0.924 THz

Fig. 6. Current distributions at front metal and bottom metal plate. (a) 0.689 THz; (b) 0.924 THz

4 结论

Article Outline

相关论文

相关资讯

关于本站 Cookie 的使用提示

全站搜索

基于L形超材料的太赫兹宽带偏振转换器下载： 1431次