本發(fā)明涉及一種新型人工電磁材料，尤其涉及一種應(yīng)用于太赫茲波段的具有異常折射和無(wú)衍射貝塞爾波束功能的透射式電磁編碼超材料。

背景技術(shù)：

在過(guò)去的20年里，超材料由于其超越自然的奇特電磁特性，逐漸鞏固了其在前沿研究領(lǐng)域中獨(dú)特的地位，吸引了物理界和工程界的廣泛關(guān)注。超材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率可以進(jìn)行人為地構(gòu)造，使得材料的獲取不再受限于自然界。對(duì)電磁波的任意操控，傳統(tǒng)方案通常是利用整塊介質(zhì)材料(傳統(tǒng)透鏡)或者依靠金屬表面的形狀(傳統(tǒng)天線)來(lái)調(diào)控電磁場(chǎng)分布，但是此類方案都是依靠特定的幾何形狀或者透鏡的等效折射率的所帶來(lái)的空間相位累積實(shí)現(xiàn)的，因此具有較厚的厚度，不便于與其他設(shè)備集成。

2011年Capasso等人提出了廣義斯涅爾定律，通過(guò)在二維表面上引入不連續(xù)相位，將原本需要空間累積的相位變成平面上的相位突變補(bǔ)償，使得利用二維超表面操控電磁波的幅度和相位成為可能，利用此技術(shù)來(lái)制作各種透鏡及天線，將極大地縮減其物理尺寸并減輕重量。由于每個(gè)結(jié)構(gòu)單元可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波幅度和相位的任意控制，因此通過(guò)設(shè)計(jì)更加復(fù)雜的相位分布，可以實(shí)現(xiàn)諸如渦旋波束和貝塞爾波束等；如果設(shè)計(jì)隨機(jī)的相位分布，則可實(shí)現(xiàn)對(duì)入射波的隨機(jī)漫反射，能夠有效地降低目標(biāo)的雷達(dá)散射截面，實(shí)現(xiàn)隱身。

以上提到的超材料的單元設(shè)計(jì)一般都是微波頻段的、體積較大、并且是非柔性的，難以與物體共型。本發(fā)明設(shè)計(jì)的應(yīng)用于太赫茲波段的3-比特透射式電磁編碼超材料則具有低剖面、高效率、柔性的優(yōu)良特點(diǎn)，可調(diào)控太赫茲波實(shí)現(xiàn)異常折射和無(wú)衍射貝塞爾波束聚焦等功能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問(wèn)題：本發(fā)明提供了一種應(yīng)用于太赫茲波段的3-比特透射式電磁編碼超材料，通過(guò)設(shè)計(jì)特定的數(shù)字編碼序列并將其賦予材料中的每個(gè)基本單元，便可在y極化的垂直入射電磁波的照射下實(shí)現(xiàn)不同的功能，如異常折射和無(wú)衍射貝塞爾波束等。

技術(shù)方案：本發(fā)明的一種應(yīng)用于太赫茲波段的3-比特透射式電磁編碼超材料，由八種基本單元結(jié)構(gòu)按照預(yù)先設(shè)計(jì)的數(shù)字編碼序列在二維平面內(nèi)排列而構(gòu)成，其基本單元結(jié)構(gòu)由三層金屬開(kāi)口諧振環(huán)和四層聚酰亞胺介質(zhì)層交替疊合構(gòu)成，其中，頂部和底部開(kāi)口諧振環(huán)的開(kāi)口中心在二維平面內(nèi)坐標(biāo)系內(nèi)分別沿著x軸和y軸方向，中間層的開(kāi)口諧振環(huán)的開(kāi)口中心分別沿著45°或135°方向，通過(guò)調(diào)整開(kāi)口諧振環(huán)的開(kāi)口角度及開(kāi)口方向，來(lái)實(shí)現(xiàn)八個(gè)不同的數(shù)字態(tài)。

所述的八種基本單元結(jié)構(gòu)在y極化的垂直入射太赫茲波的照射下，其透射波的交叉極化分量能夠覆蓋360度相位范圍，以45度相位差實(shí)現(xiàn)8個(gè)離散相位，分別對(duì)應(yīng)于數(shù)字態(tài)“0”到“7”。

所述八個(gè)不同的數(shù)字態(tài)編碼“0”、“1”、“2”、“3”、“4”、“5”、“6”、“7”所對(duì)應(yīng)的單元幾何參數(shù)分別為30°/45°、50°/45°、68°/45°、90°/45°、30°/135°、49.5°/135°、67.5°/135°和87°/135°，其中α為開(kāi)口諧振環(huán)的開(kāi)口角度，為開(kāi)口諧振環(huán)的開(kāi)口中心繞z軸的旋轉(zhuǎn)角度。

優(yōu)選的：所述聚酰亞胺介質(zhì)層的厚度d₁＝40μm，d₂＝5μm，介電常數(shù)為3，損耗角正切為0.03；

優(yōu)選的：基本單元結(jié)構(gòu)的單元周期長(zhǎng)度L為100μm。

優(yōu)選的：8種基本單元結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)如下：

注：編碼單元對(duì)應(yīng)的透射相位是頻率為0.79THz時(shí)的測(cè)試結(jié)果

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于：

1.本發(fā)明摒棄了傳統(tǒng)采用等效媒質(zhì)參數(shù)對(duì)超材料進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)的方案，采用離散的數(shù)字編碼形式便于簡(jiǎn)潔有效地分析和設(shè)計(jì)超材料。

2.本發(fā)明巧妙地利用一種金屬開(kāi)口諧振環(huán)與聚酰亞胺介質(zhì)層交替排列的方式構(gòu)成基本單元結(jié)構(gòu)。相比于單層金屬層的單元結(jié)構(gòu)，突破了透射波交叉極化分量幅值的限制，實(shí)現(xiàn)了在太赫茲頻段下的對(duì)透射波交叉極化分量的完美操控，即在高透射率的前提下，可實(shí)現(xiàn)360度的相位覆蓋。

3.本發(fā)明可通過(guò)賦予超材料不同的編碼矩陣，使其在y極化垂直入射電磁波的照射下獨(dú)立地呈現(xiàn)出不同角度的異常折射，或者不同聚焦長(zhǎng)度的無(wú)衍射貝塞爾波束

4.本發(fā)明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，采用常規(guī)光刻工藝便可加工，易于量產(chǎn)。所制成的樣品具有超薄超輕的特點(diǎn)，易于與現(xiàn)有系統(tǒng)集成；同時(shí)由于聚酰亞胺柔性的特點(diǎn)，也可覆蓋在具體曲面形狀的物體上，實(shí)現(xiàn)異常角度折射、無(wú)衍射貝塞爾波束和極化轉(zhuǎn)化等。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的3-比特透射式電磁編碼超材料的功能示意圖，其中y極化垂直入射波被轉(zhuǎn)換為交叉極化并折射到異常角度；

圖2為本發(fā)明的基本單元結(jié)構(gòu)的透視圖，其由三層金屬開(kāi)口諧振環(huán)和四層聚酰亞胺介質(zhì)層交替排列構(gòu)成，其中兩層內(nèi)部的聚酰亞胺介質(zhì)層(隔離層)和兩層外部的聚酰亞胺介質(zhì)層(覆蓋層)的厚度分別為d₁＝40μm和d₂＝5μm；

圖3為本發(fā)明的基本單元結(jié)構(gòu)的俯視圖，單元結(jié)構(gòu)的周期長(zhǎng)度L＝100μm，八種數(shù)字態(tài)編碼“0”、“1”、“2”、“3”、“4”、“5”、“6”、“7”所對(duì)應(yīng)的單元幾何參數(shù)分別為30°/45°、50°/45°、68°/45°、90°/45°、30°/135°、49.5°/135°、67.5°/135°和87°/135°，其中α為開(kāi)口諧振環(huán)的開(kāi)口角度，為開(kāi)口諧振環(huán)的開(kāi)口中心繞z軸的旋轉(zhuǎn)角度；

圖4為八種基本編碼單元的在0.79THz時(shí)的透射振幅及相位的仿真結(jié)果；

圖5為八種基本編碼單元的透射相位的寬帶性能的仿真結(jié)果，頻率為0.8THz到1.2THz；

圖6為八種基本編碼單元的透射振幅的寬帶性能的仿真結(jié)果，頻率為0.8THz到1.2THz；

圖7為兩種不同編碼的透射近場(chǎng)分布的數(shù)值仿真結(jié)果。(a)當(dāng)編碼矩陣為S₁:0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7….時(shí)，在y極化波的垂直入射下，x-z平面上的電場(chǎng)分布圖(Ex分量)，頻率為1.04THz；(b)當(dāng)編碼矩陣為S₂:1 3 5 7 1 3 5 7…時(shí)，在y極化波的垂直入射下，x-z平面上的電場(chǎng)分布圖(Ex分量)，頻率為1.04THz；

圖8為兩種不同編碼的透射遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的數(shù)值仿真結(jié)果。(a)當(dāng)編碼矩陣為S₁:0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7….時(shí)，在y極化波的垂直入射下，x-z平面二維遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖，頻率為1.04THz；(b)當(dāng)編碼矩陣為S₂:1 3 5 7 1 3 5 7…時(shí)，在y極化波的垂直入射下，x-z平面二維遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖，頻率為1.04THz；

圖9為所產(chǎn)生的貝塞爾波束在x-z平面上的電場(chǎng)分布(Ex分量)的數(shù)值仿真結(jié)果。(a)在匯聚角度θ為5°(保持偏移值a＝0degree/μm)時(shí)，所產(chǎn)生的沿著法線方向的無(wú)衍射貝塞爾波束；(b)在匯聚角度θ為10°(保持偏移值a＝0degree/μm)時(shí)，所產(chǎn)生的沿著法線方向的無(wú)衍射貝塞爾波束；(c)在偏移值a＝0.1degree/μm(保持匯聚角為10°)時(shí)，所產(chǎn)生偏離法線方向的無(wú)衍射貝塞爾波束；(d)在偏移值a＝0.2degree/μm(保持匯聚角為10°)入射時(shí)，所產(chǎn)生的偏離法線方向的無(wú)衍射貝塞爾波束。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明應(yīng)用于太赫茲波段的3-比特透射式電磁編碼超材料的基本單元結(jié)構(gòu)：由三層金屬開(kāi)口諧振環(huán)和四層聚酰亞胺介質(zhì)層交替排列構(gòu)成，即從上至下為聚酰亞胺介質(zhì)層、開(kāi)口諧振環(huán)金屬層、聚酰亞胺介質(zhì)層、開(kāi)口諧振環(huán)金屬層、聚酰亞胺介質(zhì)層、開(kāi)口諧振環(huán)金屬層、聚酰亞胺介質(zhì)層。將所述基本單元結(jié)構(gòu)按照預(yù)先設(shè)計(jì)的數(shù)字編碼矩陣排列在二維平面上，便可實(shí)現(xiàn)如異常折射和無(wú)衍射貝塞爾波束等功能。

通過(guò)調(diào)整開(kāi)口諧振環(huán)的開(kāi)口角度及其方向，來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的數(shù)字態(tài)。在y極化的垂直入射太赫茲波的照射下，八個(gè)基本單元結(jié)構(gòu)的透射波的交叉極化分量能夠?qū)崿F(xiàn)八個(gè)離散相位，覆蓋360度的相位范圍。八個(gè)離散相位依次相差45度，分別對(duì)應(yīng)于數(shù)字態(tài)“0”到“7”。

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施案例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。

為了驗(yàn)證本發(fā)明的功能及性能，將在太赫茲頻段實(shí)例化本發(fā)明所提到的3-比特透射式電磁編碼超材料的八種基本單元結(jié)構(gòu)，如圖1所示。圖2給出了基本單元結(jié)構(gòu)的立體結(jié)構(gòu)圖，其由三層金屬開(kāi)口諧振環(huán)和四層聚酰亞胺介質(zhì)層交替排列構(gòu)成，兩層內(nèi)部聚酰亞胺介質(zhì)層(隔離層)和兩層外部聚酰亞胺介質(zhì)層(覆蓋層)的厚度分別為d₁＝40μm和d₂＝5μm，其中頂部和底部開(kāi)口諧振環(huán)的開(kāi)口中心分別沿著x軸和y軸(也就是圖3中α＝90°和0°)，中間層的開(kāi)口諧振環(huán)的開(kāi)口中心沿著45°和135°方向。圖3給出了基本單元結(jié)構(gòu)的俯視圖，其中開(kāi)口諧振環(huán)內(nèi)半徑r＝40μm，開(kāi)口諧振環(huán)寬度w＝10μm,基本結(jié)構(gòu)單元長(zhǎng)度L＝100μm,八種數(shù)字態(tài)編碼單元所對(duì)應(yīng)幾何參數(shù)如表1所示。

表1 3-比特透射式電磁編碼超材料的八種基本單元結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)

通過(guò)調(diào)整開(kāi)口諧振環(huán)的幾何參數(shù)在0.79THz，得到的八個(gè)基本結(jié)構(gòu)在y極化垂直入射電磁波的照射下的透射波交叉極化分量的相位為-60度，-15度，30度，75度，120度，165度，-150度，-105度，分別對(duì)應(yīng)數(shù)字態(tài)“0”，“1”，“2”，“3”，“4”，“5”，“6”，“7”。

這里通過(guò)給出兩個(gè)具體的編碼來(lái)展示其對(duì)太赫茲波的異常偏折功能。第一個(gè)示例中，所設(shè)計(jì)的編碼超材料擁有32×32個(gè)基本結(jié)構(gòu)單元，相應(yīng)的編碼序列為S₁:0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7…，運(yùn)用CST微波工作室時(shí)域解算器可得到y(tǒng)極化平面波照射下編碼超材料在1.04THz時(shí)的電場(chǎng)分布(Ex分量)，如圖7a所示。從圖7a可以觀測(cè)到波陣面與z軸存在一定夾角，說(shuō)明電磁波穿過(guò)編碼超材料后，被轉(zhuǎn)換為交叉極化分量，并關(guān)于z軸以一定傾斜角傳播。從圖8a可以觀測(cè)到異常折射角度為21°。下面的公式給出了異常折射角度的計(jì)算公式：

其中λ代表自由空間波長(zhǎng)(288μm在1.04THz時(shí))，Γ代表一個(gè)梯度周期的長(zhǎng)度(800μm)。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，其仿真結(jié)果也與理論值21.13°高度一致。

為了評(píng)估透射式編碼超材料的性能，使其能夠?qū)⑻掌澆ㄕ凵涞礁蟮慕嵌壬?，我們繼續(xù)將編碼序列周期長(zhǎng)度減少至400μm，得到編碼序列S₂:1 3 5 7 1 3 5 7…,運(yùn)用CST微波工作室時(shí)域解算器可得到y(tǒng)極化平面波照射下編碼超材料在1.04THz時(shí)電場(chǎng)分布(Ex分量)，如圖7b所示。在這種情況下，可以觀測(cè)到波陣面與z軸的夾角增大，說(shuō)明垂直入射波被轉(zhuǎn)換為交叉極化分量，并產(chǎn)生了更大的偏折角。從圖8b所示的二維遠(yuǎn)場(chǎng)輻射方向圖，可看出其折射角度為46°，再次與理論值(46.14°)高度一致。為了進(jìn)一步衡量所設(shè)計(jì)的透射式編碼超材料在異常折射時(shí)的傳輸效率，我們將其遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖對(duì)電磁波垂直入射到同樣大小的完美電導(dǎo)體上的背向反射峰值作歸一化。從圖8a和圖8b中可以清楚地觀測(cè)到序列S₁和序列S₂的傳輸效率分別為72％和58％。

接下來(lái)展示本發(fā)明另一個(gè)重要的特性，即利用透射式編碼超材料產(chǎn)生太赫茲波段的無(wú)衍射貝塞爾波束，可通過(guò)將編碼單元按照梯度相位沿著徑向方向排列，具體的相位分布可由以下公式確定：

是編碼超材料的相位分布，與離散的數(shù)字態(tài)對(duì)應(yīng)；x和y是笛卡爾坐標(biāo)系下每個(gè)編碼單元到原點(diǎn)的距離；k₀是自由空間波長(zhǎng)；θ是匯聚角度，決定了波束匯聚程度；a是控制貝塞爾波束與法線的偏移值。通過(guò)在CST微波工作室中利用公式(2)建模并仿真了四個(gè)不同的貝塞爾波束，其中每個(gè)模型都包含33×33個(gè)編碼單元，入射波為y極化垂直入射的平面波，頻率為1.04THz。

如圖9a和圖9b所示電場(chǎng)(Ex分量)分布所示，當(dāng)設(shè)置θ＝5°和10°，a＝0degree/μm時(shí)，y極化入射波被轉(zhuǎn)化為x極化波并同時(shí)聚焦在法線附近，表現(xiàn)出獨(dú)特的貝塞爾波束特征。圖9a所示的無(wú)衍射貝塞爾波束長(zhǎng)度明顯長(zhǎng)于圖9b所示的長(zhǎng)度，這是由于前者的匯聚角θ更小。然而，由于圖9b中匯聚角θ更小，其貝塞爾波束區(qū)域內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度要大于圖9a。當(dāng)添加偏移值a＝0.1degree/μm和0.2degrees/μm到圖9b所示的編碼單元時(shí)(即保持匯聚角為10°)，無(wú)衍射貝塞爾波束分別偏離了法線一定角度，同時(shí)保持了完好的波形(如圖9c和圖9d所示)。

本發(fā)明采用常規(guī)光刻流程進(jìn)行加工，主要包含兩個(gè)主要過(guò)程：聚酰亞胺層的制備和標(biāo)準(zhǔn)Lift-off(剝離)工藝過(guò)程。具體步驟如下：首先5μm厚的聚酰亞胺層(底層)通過(guò)旋轉(zhuǎn)涂布到2寸臨時(shí)襯底硅片(厚度400μm,n型,電阻率ρ＝3-6Ω·cm)上；隨后，在熱板進(jìn)行加熱固化，其溫度階梯為80度、120度、180度和250度，分別加熱5分鐘、5分鐘、5分鐘和20分鐘；其次，利用光刻工藝將攜帶編碼圖案的掩膜版的圖案轉(zhuǎn)移到光刻膠上，隨后再用電子束蒸發(fā)沉積一層10納米的鈦和180納米的金，之后采用Lift-off(剝離)工藝在丙酮中生成最終的金屬圖案(底層)。通過(guò)重復(fù)上述步驟，可生成其余的聚酰亞胺層和金屬層。由于聚酰亞胺柔軟的物理特性和穩(wěn)定的化學(xué)特性，本發(fā)明具有超薄柔性的特點(diǎn)，可與任何曲面物體共形，并且耐酸堿腐蝕，抗物理磨損，這些優(yōu)良特性擴(kuò)展了本發(fā)明的應(yīng)用范圍。

需要說(shuō)明，以上所述僅是本發(fā)明在太赫茲波段的優(yōu)選實(shí)施方式，由于本設(shè)計(jì)具有單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、低剖面、高效率并且可共型的優(yōu)點(diǎn)，同樣的結(jié)構(gòu)可以通過(guò)尺寸縮放而直接擴(kuò)展到微波段、毫米波波段、紅外以及可見(jiàn)光波段。應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。