超表面单元结构、太赫兹双偏振涡旋波发生器及制备方法

本发明涉及电磁材料，更具体地说，它涉及一种超表面单元结构、太赫兹双偏振涡旋波发生器及制备方法。

背景技术：

1、太赫兹波(terahertz，thz)是指频率范围在0.1～0.2thz的电磁波。在电磁频谱上，太赫兹波介于微波频段和红外波频段之间的过渡区域，具有许多独特的性质，如光子能量低、高宽带性和抗干扰能力强等，因其位置和性质的独特性，在无损检测、无线通信等领域由广泛的应用前景。与相位、极化等相同，轨道角动量(orbital angular momentum,oam)也是电磁波的基本物理属性之一，基于oam的模式复用技术有望在未来的无线通信系统中有效提高信道容量，因而被受关注。携带oam的电磁波又称为涡旋波，在太赫兹波段如何产生高质量涡旋波是其实际应用的基础。

2、超表面作为人工电磁超材料的二维形式，对电磁波相位、极化和频率等的调控更为灵活，且具有低剖面、易加工等优势，因此成为产生太赫兹涡旋波的理想方法之一。目前，大多数太赫兹涡旋超表面只能调控单一极化波，且产生的涡旋波模式单一，例如目前已有的双极化太赫兹涡旋超表面虽然能调控正交线极化波，但只能在单频点或双频点产生涡旋波，超表面的工作带宽较窄，难以满足多输入多输出的通信需求。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供超表面单元结构、太赫兹双偏振涡旋波发生器及制备方法，本发明解决的技术问题是涡旋波发生器如何在较宽的太赫兹频段内实现对正交线极化波的独立调控，并分别生成拓扑荷数不同的涡旋波。

2、本申请的第一方面，提供了一种超表面单元结构，超表面单元结构包括从下到上依次设置的金属底板层、介质层和金属图案层；

3、金属图案层包括第一金属条带、第二金属条带、两段第一金属圆弧和两段第二金属圆弧，第一金属条带与第二金属条带相互垂直且相互平方，第一金属条带的两端位于两段第一金属圆弧的内侧的中部，第二金属条带的两端位于两段第二金属圆弧的内侧的中部。

4、在本申请的第一方面的一种实现方式中，介质层的材料为聚酰亚胺、石英或硅三种中的任一种，介质层的厚度为40至60微米。

5、在本申请的第一方面的一种实现方式中，金属底板层由铜构成，金属底板的厚度为100纳米至300纳米。

6、在本申请的第一方面的一种实现方式中，金属图案层由铝、铜、金或银三种中的任一种构成，金属图案层的厚度为200纳米。

7、在本申请的第一方面的一种实现方式中，调整第一金属条带和第二金属条带的尺寸参数，获得对正交线极化波响应的超表面单元结构；其中尺寸参数是指长度和宽度。

8、在本申请的第一方面的一种实现方式中，两段第一金属圆弧和两段第二金属圆弧的开口角度均为40°至60°,两段第一金属圆弧和两段第二金属圆弧的外半径均为15微米至25微米，两段第一金属圆弧和两段第二金属圆弧的内半径均为15微米至18微米。

9、本申请的第二方面，提供了一种由四个如本申请的第一方面提供的一种超表面单元结构根据相位分布组合排列构成的太赫兹双偏振涡旋波发生器。

10、在本申请的第二方面的一种实现方式中，太赫兹双偏振涡旋波发生器的工作频率范围为0.75thz至0.95thz。

11、本申请的第二方面，提供了一种制备如本申请的第二方面提供的一种太赫兹双偏振涡旋波发生器的方法，方法包括：

12、第一步，将光刻掩模版放入含有丙酮的超声清洗仪中清洗，将清洗后的光刻掩模版放入无水乙醇中浸泡，使用去离子水清洗光刻掩模版，并用氮气枪吹干；

13、第二步，用丙酮和酒精对基片进行清洗；

14、第三步，利用磁控溅射机将铜和钛镀在基片的两侧，得到样品；

15、第四步，将样品放置于匀胶机上进行匀胶，并对匀胶后的样品进行前烘；

16、第五步，利用光刻机对第四步处理后的样品进行曝光光刻，并使用显影液对曝光光刻后的样品进行显影；

17、第六步，利用离子束刻蚀机对经第五步处理后的样品的顶层金属进行刻蚀；

18、第七步，将刻蚀完成后的样品至于丙酮溶液中浸泡，使用等离子去胶机去除浸泡后的样品表面的光刻胶，再使用去离子水清洗样品并风干。

19、在本申请的第三方面的一种实现方式中，镀在基片两侧的铜的厚度为200纳米，镀在基片两侧的钛的厚度为10纳米。

20、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

21、1、本发明提供的超表面单元结构的结构简单，且发生器由4个超表面单元结构排列组合构成，阵列大小为24*24，易于集成和加工。

22、2、本发明相对于现存双偏振太赫兹超表面涡旋波发生器可在较宽的工作频带内进行工作，且拥有较好的双极化波调控和涡旋波产生功能。

23、3、本发明提供的太赫兹双偏振涡旋波发生器可通过调整超表面单元结构的排布序列控制涡旋波的模式，产生多种涡旋波的模式，可满足多种通信场景的需求。

技术特征：

1.一种超表面单元结构，其特征在于，超表面单元结构包括从下到上依次设置的金属底板层、介质层和金属图案层；

2.根据权利要求1所述的一种超表面单元结构，其特征在于，介质层的材料为聚酰亚胺、石英或硅三种中的任一种，介质层的厚度为40至60微米。

3.根据权利要求1所述的一种超表面单元结构，其特征在于，金属底板层由铜构成，金属底板的厚度为100纳米至300纳米。

4.根据权利要求1所述的一种超表面单元结构，其特征在于，金属图案层由铝、铜、金或银三种中的任一种构成，金属图案层的厚度为200纳米。

5.根据权利要求1所述的一种超表面单元结构，其特征在于，调整第一金属条带和第二金属条带的尺寸参数，获得对正交线极化波响应的超表面单元结构；其中尺寸参数是指长度和宽度。

6.根据权利要求1所述的一种超表面单元结构器，其特征在于，两段第一金属圆弧和两段第二金属圆弧的开口角度均为40°至60°,两段第一金属圆弧和两段第二金属圆弧的外半径均为15微米至25微米，两段第一金属圆弧和两段第二金属圆弧的内半径均为15微米至18微米。

7.一种由四个如权利要求1所述的一种超表面单元结构根据相位分布组合排列构成的太赫兹双偏振涡旋波发生器。

8.根据权利要求7所述的一种太赫兹双偏振涡旋波发生器，其特征在于，太赫兹双偏振涡旋波发生器的工作频率范围为0.75thz至0.95thz。

9.一种制备如权利要求8所述的一种太赫兹双偏振涡旋波发生器的方法，其特征在于，方法包括：

10.根据权利要求9所述的一种太赫兹双偏振涡旋波发生器的制备方法，其特征在于，镀在基片两侧的铜的厚度为200纳米，镀在基片两侧的钛的厚度为10纳米。

技术总结
本发明公开了超表面单元结构、太赫兹双偏振涡旋波发生器及制备方法，涉及电磁材料技术领域，本发明解决的技术问题是涡旋波发生器如何在较宽的太赫兹频段内实现对正交线极化波的独立调控，并分别生成拓扑荷数不同的涡旋波，其技术方案要点是：超表面单元结构包括从下到上依次设置的金属底板层、介质层和金属图案层；金属图案层包括第一金属条带、第二金属条带、两段第一金属圆弧和两段第二金属圆弧，第一金属条带与第二金属条带相互垂直且相互平方，第一金属条带的两端位于两段第一金属圆弧的内侧的中部，第二金属条带的两端位于两段第二金属圆弧的内侧的中部，由四个超表面单元结构根据相位分布组合排列构成的太赫兹双偏振涡旋波发生器。

技术研发人员：马勇,郭晓越,马晓燠,郑佐月,胡帅,刘海涛,黎人溥,许光洪,孙晓路,陈沁,樊逢佳,周幸叶
受保护的技术使用者：重庆邮电大学
技术研发日：
技术公布日：2024/8/1