李佳輝 張雅婷? 李吉寧 李杰 李繼濤 鄭程龍楊悅 黃進(jìn) 馬珍珍 馬承啟 郝璇若 姚建銓
1) (天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院, 激光與光電子研究所, 天津 300072)
2) (天津大學(xué), 光電信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300072)
由于受電子器件尺寸和加工技術(shù)的限制, 在太赫茲波段很少有主動調(diào)控的編碼超表面. 為了提高太赫茲編碼超表面的靈活性, 本文選擇相變材料二氧化釩進(jìn)行主動調(diào)控. 分析了二氧化釩相變前(絕緣態(tài))和相變后(金屬態(tài))兩種態(tài)對單元結(jié)構(gòu)幅值和相位的影響, 設(shè)計出一種能夠主動調(diào)控的基于二氧化釩的1 bit 太赫茲編碼超表面, 該結(jié)構(gòu)由二氧化釩、聚酰亞胺和鋁構(gòu)成, 不僅可以實(shí)現(xiàn)編碼超表面調(diào)節(jié)電磁波波束的基本功能, 而且對于同一編碼序列還能通過溫控二氧化釩在1.1 THz 實(shí)現(xiàn)兩種遠(yuǎn)場波束的切換, 同樣對于同一編碼序列也能通過溫控在1.1 THz 實(shí)現(xiàn)兩種近場聚焦焦點(diǎn)的切換. 這種基于二氧化釩對相位的影響而設(shè)計的編碼超表面為靈活調(diào)控太赫茲波提供一種新的途徑, 將在太赫茲傳輸、成像和通信等方面有著重大的應(yīng)用前景.
太赫茲一般是指頻率在0.1—10 THz(波長為30—3000 μm)范圍內(nèi)的電磁波, 具有非電離、穿透性、吸水性和高分辨率等特性[1-3], 在諸多領(lǐng)域例如無損檢測[4,5]、成像[6,7]和通信[8,9]方面展示了重要的應(yīng)用前景. 但是由于太赫茲屬于多學(xué)科交叉領(lǐng)域, 長期以來的發(fā)展受到很多限制, 尤其是沒有有效的太赫茲產(chǎn)生和檢測方法, 形成了電磁波中的“太赫茲間隙”. 近年來, 隨著太赫茲量子級聯(lián)[10]和太赫茲時域光譜[11]等技術(shù)的完善, 極大地促進(jìn)了太赫茲的發(fā)展, 對太赫茲相位[12]和偏振[13]等性質(zhì)的調(diào)控也漸漸地引起了廣大研究人員的興趣.
由于超表面有許多自然材料不具備的性質(zhì), 所以利用超表面調(diào)控太赫茲是目前常用的一種方式[14-19]. 2011 年, Capasso 課題組[20]提出廣義斯涅耳定律, 將相位進(jìn)行了離散化, 大大提高了超表面調(diào)控電磁波的能力, 涌現(xiàn)了很多結(jié)構(gòu)新穎、功能強(qiáng)大的超表面[21-24], 如能實(shí)現(xiàn)矢量全息的超表面[22,23]和實(shí)現(xiàn)光傳輸?shù)焦庋苌滢D(zhuǎn)化的多功能超表面[24]. 2014 年, 東南大學(xué)崔鐵軍院士進(jìn)一步擴(kuò)展了相位離散的思想, 在微波波段提出了數(shù)字超表面,即編碼超表面[25]. 此后, 該思想被擴(kuò)展到太赫茲領(lǐng)域, 涌現(xiàn)了一系列新穎的超表面, 如雙頻雙功能編碼超表面能實(shí)現(xiàn)兩個頻點(diǎn)不同功能[26]、P—B 編碼超表面用于太赫茲波段自旋波和渦旋束的動態(tài)振幅調(diào)制[27]. 但是這些編碼超表面結(jié)構(gòu)單一, 一旦結(jié)構(gòu)固定, 功能就無法改變, 很少有主動調(diào)控的太赫茲編碼超表面, 這極大地限制了編碼超表面在太赫茲領(lǐng)域的發(fā)展.
本文選擇相變材料二氧化釩作為主動調(diào)控的材料. 二氧化釩的相變溫度大約68 ℃, 相變前可視作絕緣態(tài), 而相變后視作金屬態(tài), 并且可以被溫度、電場和光場等多種方式激勵, 是一種相對理想的材料[28-32]. 通過結(jié)合二氧化釩和編碼超表面, 能大大地提高編碼超表面調(diào)節(jié)太赫茲的靈活性, 為編碼超表面的實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ).
編碼超表面的設(shè)計思路主要是將相位進(jìn)行數(shù)字化, 是相位梯度概念的進(jìn)一步發(fā)展. 對于正常入射的平面波, 整個超表面的遠(yuǎn)場散射函數(shù)可以表示為[25]
其中fe(θ,φ)代表單個單元的遠(yuǎn)場函數(shù);D是單元尺寸;θ,φ是任意方向的仰角和方向角;φ(m,n)表示位置(m,n)的單個單元的相位.
方向圖函數(shù)可表示為
對于1 bit 編碼超表面來說,φ(m,n)只有0或π, 當(dāng)單元“0”和“1”的幅度相同時, 兩單元的散射特性相消,fe(θ,φ)的輻射特性基本為0. 對于2 bit 編碼超表面來說,φ(m,n)有0, π/2, π 和3π/2, 以此類推. 從(1)式和(2)式可以看出, 遠(yuǎn)場散射的方向和超表面單元的相位相關(guān), 對于1 bit編碼超表面, 設(shè)計單元時只需在保證單元幅度相同的情況下, 相位相差為π, 這樣通過人為設(shè)計不同的相位排列方式(編碼序列)就可以實(shí)現(xiàn)不同形式的遠(yuǎn)場波束[25].
首先設(shè)計了一個簡單的1 bit 的編碼超表面結(jié)構(gòu), 利用CST microwave studio(CST)的floquet模式進(jìn)行仿真, 如圖1 所示. 超表面由三層組成,周期d= 120 μm, 頂層和底層都為鋁, 厚度t=0.2 μm, 中間基底為聚酰亞胺, 介電常數(shù)ε= 3, 正切損耗tanδ= 0.03, 厚度h= 20 μm. 對于單元“0”, 圓環(huán)外半徑r1= 35 μm, 內(nèi)半徑r2= 29 μm.對于單元“1”,s1= 70 μm. 單元“0”和“1”的共極化反射振幅和相位如圖1(c)和圖1(d)所示, 在1.1 THz,單元“0”和“1”的幅值相近, 都大于0.8, 而相位差約180°(參考平面的選擇不改變相位差), 滿足1 bit 編碼超表面條件.
圖1 1 bit 編碼超表面示意圖 (a) 單元“0”的結(jié)構(gòu)示意圖; (b) 單元“1”的結(jié)構(gòu)示意圖; (c) 單元“0”和“1”的反射振幅; (d) 單元“0”和“1”的反射相位Fig. 1. Schematic diagram of 1 bit coding metasurface: (a) Schematic diagram of unit “0”; (b) schematic diagram of unit “1”; (c) reflection amplitude of units “0” and “1”; (d) reflection phase of units “0” and “1”.
然后驗(yàn)證了頻率為1.1 THz 時不同編碼序列下的遠(yuǎn)場方向圖, 如圖2 所示. 當(dāng)編碼序列為1010/1010 周期排列時, 在平面波垂直(偏振方向?yàn)閤方向)入射下, 反射波被均勻地反射到兩個不同的方向; 當(dāng)編碼序列為0101/1010 周期排列時,入射波主要被反射到四個不同的方向, 這里的超級子單元選擇4 × 4, 以降低相鄰單元之間的反射相位惡化.
而二氧化釩作為一種相變材料, 在這里只考慮兩種情況, 常溫下(相變前)可以看成絕緣態(tài), 介電常數(shù)εi= 9, 電導(dǎo)率σ= 200 S/m[28], 然后用加熱臺加熱基于二氧化釩的編碼超表面并用溫度傳感器監(jiān)測溫度[30,33], 當(dāng)溫度超過68 ℃時, 二氧化釩轉(zhuǎn)化了金屬態(tài), 復(fù)介電常數(shù)進(jìn)而可以用Drude 模型進(jìn)行表示[32]:
其中ε∞= 12, 碰撞頻率γ= 5.75 × 1013rad/s.
σ0= 3 × 105S/m,wp(σ0) = 1.4 × 1015rad/s, 當(dāng)二氧化釩為金屬態(tài)時, 實(shí)際電導(dǎo)率σ= 2 × 105S/m.這樣就可以將二氧化釩相變前后的兩種情況的介電常數(shù)表示出來, 再結(jié)合編碼超表面的理論, 可以用仿真軟件進(jìn)行仿真.
為了實(shí)現(xiàn)主動調(diào)控, 將編碼超表面和二氧化釩相結(jié)合, 如圖3 所示. 除了頂層外, 其余部分和圖1的結(jié)構(gòu)相同, 單元“0”頂層圓環(huán)內(nèi)半徑c2= 27 μm,外半徑c1= 34.5 μm, 其余部分全部為二氧化釩,而對于單元“1”, 頂層鋁的直徑s2= 68 μm, 其余部分為二氧化釩. 單元“0”和“1”的幅值相位圖如圖2(c)和圖2(d). 當(dāng)二氧化釩為絕緣態(tài)時, 單元“0”和“1”在1.1 THz 的幅值相差無幾, 均在0.7 以上, 而相位相差約為180°, 滿足編碼超表面的條件.而當(dāng)單元“0”和“1”的二氧化釩轉(zhuǎn)化為金屬態(tài)時, 幅值均大于0.85, 相位基本相同. 這樣通過改變二氧化釩, 可以實(shí)現(xiàn)反射波束的變化, 如圖4 所示. 當(dāng)平面波垂直入射時(偏振方向?yàn)閤方向), 二氧化釩為絕緣態(tài)時, 棋盤序列(0101/1010)的反射波束為四波束, 和基本的編碼超表面相同; 當(dāng)二氧化釩轉(zhuǎn)化為金屬態(tài)時, 反射波束為垂直的波束. 這樣通過溫控二氧化釩等方式就能夠?qū)崿F(xiàn)反射波束的動態(tài)變化.
圖2 1 bit 編碼超表面不同編碼序列示意圖 (a) 編碼序列1010/1010; (b) 編碼序列0101/1010; 在1.1 THz(c) 編碼序列1010/1010 的遠(yuǎn)場方向圖; (d) 編碼序列0101/1010 的遠(yuǎn)場方向圖Fig. 2. Schematic diagram of different coding sequences on coding metasurface: (a) Coding sequence 1010/1010; (b) coding sequence 0101/1010; At 1.1 THz (c) far-field pattern of coding sequence 1010/1010; (d) far-field pattern of coding sequence 0101/1010.
圖3 1 bit 編碼超表面示意圖 (a) 單元“0”的結(jié)構(gòu)示意圖; (b) 單元“1”的結(jié)構(gòu)示意圖; (c) 單元“0”和“1”在二氧化釩不同態(tài)時的反射振幅; (d) 單元“0”和“1”在二氧化釩不同態(tài)時的反射相位Fig. 3. Schematic diagram of 1-bit coding metasurface: (a) Schematic diagram of unit “0”; (b) schematic diagram of unit “1”; (c) reflection amplitude of units “0” and “1” in different vanadium dioxide states; (d) reflection phase of units “0” and “1” in different vanadium dioxide states.
圖4 棋盤序列(0101/1010)在1.1 THz 的遠(yuǎn)場示意圖 (a) 二氧化釩為絕緣態(tài)時的遠(yuǎn)場示意圖; (b) 二氧化釩為金屬態(tài)時的遠(yuǎn)場示意圖Fig. 4. Far-field diagram of chessboard sequence (0101/1010) at 1.1 THz: (a) Far-field diagram when vanadium dioxide is in insulating state; (b) far-field diagram when vanadium dioxide is in metallic state.
值得一提的是, 圖3 所展示的二氧化釩的變化, 只是將單元“0”和“1”的相位轉(zhuǎn)變?yōu)橄嗤南辔唬?從而讓任意編碼序列的反射波束轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪辈ㄊ?無法實(shí)現(xiàn)各種波束間的轉(zhuǎn)化. 為此設(shè)計了新的二氧化釩-金屬結(jié)構(gòu)如圖5 所示, 單元“0”中q1= 8 μm,w= 31 μm,b= 71 μm, 單元“1”中q2= 14 μm,e=80 μm,a= 108 μm, 紅色部分為二氧化釩. 幅值和相位如圖5(c)和圖5(d)所示, 在1.1 THz 處,當(dāng)二氧化釩都為絕緣態(tài)時, 單元“0”和“1”的幅值相差不大, 相位相差約180°, 當(dāng)二氧化釩轉(zhuǎn)化為金屬態(tài)時, 單元“0”和“1”的幅值同樣在0.7 以上, 相位差也相差180°, 即相當(dāng)于單元“0”變成了單元“1”,單元“1”變成了單元“0”. 圖6 展示了在1.1 THz時, 棋盤序列的遠(yuǎn)場方向圖, 可以看出, 無論二氧化釩是金屬態(tài)還是絕緣態(tài), 入射波都被反射到了四個方向, 不同的是編碼序列由0101/1010 序列轉(zhuǎn)換成了1010/0101 序列.
圖5 1 bit 編碼超表面示意圖 (a) 單元“0”的結(jié)構(gòu)示意圖; (b) 單元“1”的結(jié)構(gòu)示意圖; (c) 單元“0”和“1”在二氧化釩不同態(tài)時的反射振幅; (d)單元“0”和“1”在二氧化釩不同態(tài)時的反射相位Fig. 5. Schematic diagram of 1 bit coding metasurface: (a) Schematic diagram of unit "0"; (b) schematic diagram of unit "1"; (c) reflection amplitude of units "0" and "1" in differ rent vanadium dioxide states; (d) reflection phase of units "0" and "1" in different vanadium dioxide states.
圖6 1.1 THz 棋盤序列的遠(yuǎn)場方向圖 (a) 二氧化釩為絕緣態(tài); (b) 二氧化釩為金屬態(tài)Fig. 6. Far-field pattern of chessboard sequence at 1.1 THz: (a) Vanadium dioxide is in insulating state; (b) vanadium dioxide is in metallic state.
圖7 不同編碼序列示意圖 (a) 編碼序列1010/1010; (b) 編碼序列0000/1111; 在1.1 THz(c) 編碼序列1010/1010 的遠(yuǎn)場方向圖;(d) 編碼序列0000/1111 的遠(yuǎn)場方向圖Fig. 7. Schematic diagram of different coding sequences: (a) Coding sequence 1010/1010; (b) coding sequence 0000/1111; At 1.1 THz, (c) far-field pattern of coding sequence 1010/1010; (d) far-field pattern of coding sequence 0000/1111.
圖8 聚焦的編碼和相位示意圖 (a) 焦點(diǎn)(xf = 0 μm, yf = 0 μm, zf = 900 μm)的編碼圖; (b) 焦點(diǎn)(xf = 0 μm, yf = 0 μm, zf =900 μm)的相位圖; (c) 焦點(diǎn)(xf = 600 μm, yf = 600 μm, zf = 800 μm)的編碼圖; (d) 焦點(diǎn)(xf = 600 μm, yf = 600 μm, zf = 800 μm)的相位圖Fig. 8. Coding and phase diagram of focus: (a) Coding diagram of focus (xf = 0 μm, yf = 0 μm, zf = 900 μm); (b) phase diagram of focus (xf = 0 μm, yf = 0 μm, zf = 900 μm); (c) coding diagram of focus (xf = 600 μm, yf = 600 μm, zf = 800 μm); (d) phase diagram of focus (xf = 600 μm, yf = 600 μm, zf = 800 μm).
圖9 整體結(jié)構(gòu)和電場圖 二氧化釩為金屬態(tài)時 (a) 超表面結(jié)構(gòu); (b)在z = 900 μm 平面的x 方向的歸一化電場的x 分量圖;(c)在z = 900 μm 平面的y 方向的歸一化電場的x 分量圖. 二氧化釩為絕緣時 (d) 超表面結(jié)構(gòu); (e) 在z = 800 μm 平面的x 方向的歸一化電場的x 分量圖; (f) 在z = 800 μm 平面的y 方向的歸一化電場的x 分量圖Fig. 9. Overall structure and electric field diagram. When vanadium dioxide is metallic state: (a) Metasurface structure; (b) x component diagram of normalized electric field in X direction of z = 900 μm plane; (c) x component diagram of normalized electric field in Y direction of z = 900 μm plane. When vanadium dioxide is insulating state (d) metasurface structure; (E) x component diagram of normalized electric field in X direction of z = 800 μm plane; (f) x component diagram of normalized electric field in Y direction of z = 800 μm plane.
這樣, 通過將圖5 的二氧化釩-金屬結(jié)構(gòu)和圖1中的1 bit 基本結(jié)構(gòu)相結(jié)合, 能進(jìn)一步提高主動調(diào)控的靈活性, 具體如圖7 所示. 圖1 中基本的編碼超表面結(jié)構(gòu)不變, 通過配置圖5 中的基本結(jié)構(gòu), 可以將1010/1010 周期序列轉(zhuǎn)化成0000/1111 周期序列, 這樣在垂直的平面波(偏振方向?yàn)閤方向)入射下, 絕緣態(tài)的二氧化釩可以將入射波反射到沿x軸的兩個方向, 金屬態(tài)的二氧化釩可以將入射波反射到沿y軸的兩個方向. 通過這種方式, 可以實(shí)現(xiàn)兩種不同編碼序列間的動態(tài)轉(zhuǎn)化, 在遠(yuǎn)場上表現(xiàn)為不同波束的轉(zhuǎn)換, 大大提高了主動調(diào)控的靈活性.
同時, 利用二氧化釩的相變性質(zhì)也可以實(shí)現(xiàn)近場聚焦的轉(zhuǎn)化. 根據(jù)相位補(bǔ)償原理, 位于平面(z= 0)的超表面實(shí)現(xiàn)聚焦的相位分布滿足公式:
其中λ為設(shè)計的波長, (xf,yf,zf)表示焦點(diǎn)的坐標(biāo),(x,y,z)為單元的中心坐標(biāo).
這樣通過將相位數(shù)字化, 轉(zhuǎn)化為1 bit 編碼超表面的基本單元, 就可以用編碼超表面實(shí)現(xiàn)焦點(diǎn)的轉(zhuǎn)移, 如圖8 所示. 選擇18 × 18 基本單元的編碼超表面, 對于焦點(diǎn)(0, 0, 900)代入(5)式得到相位再將其轉(zhuǎn)化為相近的1 bit 編碼單元, 同樣對于焦點(diǎn)(600, 600, 800)也能得到相應(yīng)的編碼和相位圖.比較不同焦點(diǎn)的編碼序列, 將不同的編碼單元用二氧化釩-金屬結(jié)構(gòu)的基本單元替代, 通過改變二氧化釩的相變屬性, 就能夠轉(zhuǎn)移焦點(diǎn)的位置. CST 仿真結(jié)果如圖9 所示, 二氧化釩為金屬態(tài)時, 從z=900 μm 平面可以看出中心(x= 0 μm,y= 0 μm)的歸一的電場x分量明顯大于其他位置, 而當(dāng)二氧化釩是絕緣態(tài)時, 從z= 800 μm 平面可以看出,最大的電場x分量在x= 600 μm,y= 600 μm 附近, 符合我的預(yù)期.
傳統(tǒng)的太赫茲編碼超表面只能實(shí)現(xiàn)單一功能,無法主動調(diào)控, 通過討論二氧化釩和編碼超表面相結(jié)合的方式, 設(shè)計了太赫茲頻段的二氧化釩-金屬編碼超表面結(jié)構(gòu). 通過溫控等方式控制二氧化釩的相變, 使結(jié)構(gòu)能在1.1 THz 實(shí)現(xiàn)兩種遠(yuǎn)場波束間的切換, 基于同樣的思路, 設(shè)計合理的編碼超表面序列, 也能在1.1 THz 實(shí)現(xiàn)近場聚焦焦點(diǎn)的轉(zhuǎn)化. 設(shè)計的主動調(diào)控的太赫茲編碼超表面在太赫茲通信、太赫茲聚焦成像領(lǐng)域都有著巨大的應(yīng)用前景.