超薄的反射式寬頻太赫茲波偏振轉(zhuǎn)換器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種太赫茲波偏振轉(zhuǎn)換器，特別涉及一種超薄的反射式寬頻太赫茲波偏振轉(zhuǎn)換器。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲(THz)波是頻率在0.lTHz-lOTHz之間的電磁波，位于微波和遠(yuǎn)紅外線之間。近年來，隨著超快激光技術(shù)的發(fā)展，使得太赫茲脈沖的產(chǎn)生有了穩(wěn)定、可靠的激發(fā)光源，從此使得人們能夠研究太赫茲。太赫茲在生物醫(yī)學(xué)、安全監(jiān)測、無損傷探測、光譜與成像技術(shù)以及軍工雷達(dá)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。而太赫茲波段的開發(fā)和利用離不開太赫茲功能器件，太赫茲波偏振轉(zhuǎn)換器是太赫茲應(yīng)用的一種基本的功能器件，能被廣泛應(yīng)用于無線通信、成像、探測等方面。因此太赫茲波的發(fā)展一直備受重視。
[0003]傳統(tǒng)的操控太赫茲波的偏振態(tài)的方法是利用雙折射材料的特殊性能，但是自然界中雙折射材料少、體積大、損耗大，且工作頻段太窄。近年來，基于超表面設(shè)計(jì)的偏振轉(zhuǎn)換器引起了熱潮。目前已經(jīng)在太赫茲波段實(shí)現(xiàn)了寬頻線偏光轉(zhuǎn)換器，能將一束線偏振光轉(zhuǎn)換為與之垂直方向上偏振的線偏光。今年5月，新加坡國立大學(xué)的Dacheng Wang用非對稱的十字形結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了線偏光轉(zhuǎn)換成圓偏振光的超薄太赫茲偏振轉(zhuǎn)換器。但是多數(shù)此類基于非對稱結(jié)構(gòu)的超表面偏振轉(zhuǎn)換器只能實(shí)現(xiàn)單頻點(diǎn)的線偏光轉(zhuǎn)換為圓偏光的功能，且轉(zhuǎn)換率較低，從而限制了其應(yīng)用領(lǐng)域。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明是針對現(xiàn)在的太赫茲波線偏光轉(zhuǎn)換為圓偏光的偏振轉(zhuǎn)換器適用頻帶太窄的問題，提出一種超薄的反射式寬頻太赫茲波偏振轉(zhuǎn)換器，所提出的雙矩形金屬陣列結(jié)構(gòu)薄膜襯底金屬基板偏振轉(zhuǎn)換器能夠在保證高轉(zhuǎn)換率的同時(shí)，通過兩個(gè)單頻的偏振轉(zhuǎn)換器的疊加實(shí)現(xiàn)寬頻偏振轉(zhuǎn)換器的功能。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種超薄的反射式寬頻太赫茲波偏振轉(zhuǎn)換器，具有單個(gè)周期結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)薄膜襯底以及用于調(diào)節(jié)反射光在兩個(gè)垂直偏振分量上的相位差和振幅的雙矩形金屬陣列層，所述薄膜襯底前表面上通過光刻工藝和磁控濺射法鍍膜方法制得周期排列的雙矩形金屬陣列層，所述周期排列的雙矩形金屬陣列結(jié)構(gòu)的一個(gè)周期由兩個(gè)尺寸不同的矩形組成，通過改變兩個(gè)尺寸不同的矩形的長、寬和單個(gè)周期結(jié)構(gòu)的長、寬以及薄膜襯底的厚度來調(diào)節(jié)反射光的偏振態(tài)。
[0006]所述薄膜襯底為聚酰亞胺薄膜或聚萘二甲酸乙二醇酯薄膜或聚酯薄膜，其厚度為10-100微米。所述薄膜襯底后表面鍍有一層用于增大反射率的金屬膜。
[0007]所述偏振轉(zhuǎn)換器在0.86?1.36THz水平偏振和垂直偏振的兩個(gè)分量振幅相等，相位差相差90°，實(shí)現(xiàn)線偏光轉(zhuǎn)換為圓偏光，且轉(zhuǎn)換率2 95%。
[0008]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明超薄的反射式寬頻太赫茲波偏振轉(zhuǎn)換器，首次在太赫茲波段實(shí)現(xiàn)了超薄的反射式寬頻太赫茲波線偏光轉(zhuǎn)換為圓偏光的偏振轉(zhuǎn)換器;所提出的雙矩形金屬陣列結(jié)構(gòu)薄膜襯底金屬基板偏振轉(zhuǎn)換器與傳統(tǒng)的偏振轉(zhuǎn)換器相比較，具有轉(zhuǎn)換頻率寬，轉(zhuǎn)換效率高，超薄等優(yōu)點(diǎn)；偏振轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)簡單，取材廣泛，便于加工，適用范圍廣;所提出的制作超薄的反射式寬頻太赫茲波偏振轉(zhuǎn)換器可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場合及要求，通過結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換頻段、轉(zhuǎn)換頻寬的調(diào)節(jié)。
【附圖說明】
[0009]圖1為本發(fā)明超薄的反射式寬頻太赫茲波偏振轉(zhuǎn)換器單個(gè)周期結(jié)構(gòu)的俯視圖；
圖2為本發(fā)明超薄的反射式寬頻太赫茲波偏振轉(zhuǎn)換器單個(gè)周期結(jié)構(gòu)的左視圖；
圖3為本發(fā)明超薄的反射式寬頻太赫茲波偏振轉(zhuǎn)換器的俯視圖；
圖4為本發(fā)明超薄的反射式寬頻太赫茲波偏振轉(zhuǎn)換器的左視圖；
圖5為本發(fā)明超薄的反射式寬頻太赫茲波偏振轉(zhuǎn)換器在與水平方向成45°線偏光垂直入射下反射光的水平和垂直兩個(gè)偏振分量的反射率與頻率的關(guān)系圖；
圖6為本發(fā)明超薄的反射式寬頻太赫茲波偏振轉(zhuǎn)換器在與水平方向成45°線偏光垂直入射下反射光的水平和垂直兩個(gè)偏振分量的相位差與頻率的關(guān)系圖；
圖7為本發(fā)明超薄的反射式寬頻太赫茲波偏振轉(zhuǎn)換器在與水平方向成45°線偏光垂直入射下所得圓偏振光的橢偏率與頻率的關(guān)系圖。
【具體實(shí)施方式】
[0010]下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0011]如圖1、2所示，一種超薄的反射式寬頻太赫茲偏振轉(zhuǎn)換器單個(gè)周期的長為13，寬為h3，總厚度St+t+ts。其中包括周期排列的雙矩形金屬陣列層，聚酰亞胺薄膜襯底層和金屬膜基板層。第一層雙矩形金屬陣列層厚度為，第一矩形1的長和寬分別為l^lu，第二矩形2的長和寬分別為l2、h2。第二層聚酰亞胺薄膜襯底層的厚度為t。第三層金屬膜基板的厚度為t2。一種超薄的反射式寬頻太赫茲偏振轉(zhuǎn)換器由多個(gè)周期組成，其中圖3、4所示超薄的反射式寬頻太赫茲偏振轉(zhuǎn)換器的俯視圖和左視圖只展示了八個(gè)周期的結(jié)構(gòu)圖。
[0012]—種超薄的反射式寬頻太赫茲偏振轉(zhuǎn)換器，包括用于調(diào)節(jié)反射光在兩個(gè)垂直偏振分量上的相位差和振幅的雙矩形金屬陣列層和作為襯底的一定厚度的聚酰亞胺薄膜以及增大反射率的金屬膜基板。其中，兩個(gè)矩形的長、寬和單個(gè)周期結(jié)構(gòu)的長、寬以及聚酰亞胺薄膜的厚度等決定偏振轉(zhuǎn)換器所實(shí)現(xiàn)的偏振態(tài)，聚酰亞胺薄膜后表面鍍的金屬膜增大偏振轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換率。偏振轉(zhuǎn)換器的雙矩形金屬陣列結(jié)構(gòu)參數(shù)和聚酰亞胺薄膜的厚度參數(shù)可以被調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換頻段，轉(zhuǎn)換帶寬的改變。所述的聚酰亞胺薄膜襯底層能在電磁波傳輸過程中起到降低損耗的作用且實(shí)現(xiàn)超薄的特性，并不局限于用聚酰亞胺薄膜。
[0013]本實(shí)施例中，選取折射率為3.5(l+0.01i)的聚酰亞胺薄膜，使用光刻工藝和磁控濺射法鍍膜技術(shù)在薄膜的前表面制得周期排列的雙矩形金屬陣列層，同樣使用磁控濺射法鍍膜技術(shù)在薄膜的后表面鍍一層金屬膜作為基板。通過傳統(tǒng)的太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)對制得的超薄的反射式寬頻太赫茲偏振轉(zhuǎn)換器進(jìn)行測試，在入射端的離軸拋面鏡與偏振轉(zhuǎn)換器之間和反射端的離軸拋面鏡與全反射鏡之間分別放置一個(gè)偏振片，前者選取所需偏振方向的線偏光，后者獲得反射光在兩個(gè)垂直偏振分量上的頻譜信息。太赫茲源發(fā)射出的太赫茲波經(jīng)第一個(gè)偏振片，得到所需的線偏光，經(jīng)離軸拋物面鏡將偏振片選取的線偏光聚焦在偏振轉(zhuǎn)換器表面，經(jīng)偏振轉(zhuǎn)換器反射的太赫茲波信號經(jīng)過第二個(gè)偏振片提取偏振方向相互垂直的兩個(gè)分量，又經(jīng)離軸拋物面鏡最終匯聚在太赫茲波探測器上。
[0014]測試中，選取與水平方向成45°偏振的線偏光經(jīng)離軸拋面鏡聚焦在偏振轉(zhuǎn)換器上，在反射信號中分別提取水平偏振和垂直偏振兩個(gè)分量。將探測到的時(shí)域信號進(jìn)行傅里葉變換，得到水平偏振和垂直偏振兩個(gè)分量的反射率和兩個(gè)分量的相位差。如圖5，超薄的反射式寬頻太赫茲波偏振轉(zhuǎn)換器在與水平方向成45°線偏光垂直入射下反射光的水平和垂直兩個(gè)偏振分量的反射率與頻率的關(guān)系圖，如圖6，超薄的反射式寬頻太赫茲波偏振轉(zhuǎn)換器在與水平方向成45°線偏光垂直入射下反射光的水平和垂直兩個(gè)偏振分量的相位差與頻率的關(guān)系圖，該偏振轉(zhuǎn)換器在0.86?1.36THz水平偏振和垂直偏振的兩個(gè)分量振幅相等，相位差相差90°，實(shí)現(xiàn)了線偏光轉(zhuǎn)換為圓偏光功能，且轉(zhuǎn)換率達(dá)到95%以上。如圖7，超薄的反射式寬頻太赫茲波偏振轉(zhuǎn)換器在與水平方向成45°線偏光垂直入射下所得圓偏光的橢偏率與頻率的關(guān)系圖，引入斯托克斯參數(shù)計(jì)算所得圓偏光的橢偏率，該偏振轉(zhuǎn)換器在0.86?1.36THZ的橢偏率恒為-1，即所得圓偏光為右旋偏振光。選取與水平方向成135°偏振的線偏光入射，將得到左旋圓偏振光。因此該偏振轉(zhuǎn)換器具有轉(zhuǎn)換效率高，轉(zhuǎn)換頻帶寬等一系列優(yōu)勢。由于該偏振轉(zhuǎn)換器是在聚酰亞胺薄膜上制得，所以該偏振轉(zhuǎn)換器兼具超薄，體積小，損耗小等優(yōu)勢。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種超薄的反射式寬頻太赫茲波偏振轉(zhuǎn)換器，具有單個(gè)周期結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)薄膜襯底以及用于調(diào)節(jié)反射光在兩個(gè)垂直偏振分量上的相位差和振幅的雙矩形金屬陣列層，其特征在于，所述薄膜襯底前表面上通過光刻工藝和磁控濺射法鍍膜方法制得周期排列的雙矩形金屬陣列層，所述周期排列的雙矩形金屬陣列結(jié)構(gòu)的一個(gè)周期由兩個(gè)尺寸不同的矩形組成，通過改變兩個(gè)尺寸不同的矩形的長、寬和單個(gè)周期結(jié)構(gòu)的長、寬以及薄膜襯底的厚度來調(diào)節(jié)反射光的偏振態(tài)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超薄的反射式寬頻太赫茲波偏振轉(zhuǎn)換器，其特征在于:所述薄膜襯底為聚酰亞胺薄膜或聚萘二甲酸乙二醇酯薄膜或聚酯薄膜，其厚度為10-100微米。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超薄的反射式寬頻太赫茲波偏振轉(zhuǎn)換器，其特征在于:所述薄膜襯底后表面鍍有一層用于增大反射率的金屬膜。4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的超薄的反射式寬頻太赫茲波偏振轉(zhuǎn)換器，其特征在于:所述偏振轉(zhuǎn)換器在0.86-1.36THz水平偏振和垂直偏振的兩個(gè)分量振幅相等，相位差相差90°，實(shí)現(xiàn)線偏光轉(zhuǎn)換為圓偏光，且轉(zhuǎn)換率2 95%。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種超薄的反射式寬頻太赫茲波偏振轉(zhuǎn)換器，具有單個(gè)周期結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)薄膜襯底以及用于調(diào)節(jié)反射光在兩個(gè)垂直偏振分量上的相位差和振幅的雙矩形金屬陣列層，薄膜襯底前表面上通過光刻工藝和磁控濺射法鍍膜方法制得周期排列的雙矩形金屬陣列層，周期排列的雙矩形金屬陣列結(jié)構(gòu)的一個(gè)周期由兩個(gè)尺寸不同的矩形組成，通過改變兩個(gè)尺寸不同的矩形的長、寬和單個(gè)周期結(jié)構(gòu)的長、寬以及薄膜襯底的厚度來調(diào)節(jié)反射光的偏振態(tài)。本發(fā)明與傳統(tǒng)的偏振轉(zhuǎn)換器相比較，具有轉(zhuǎn)換頻率寬，轉(zhuǎn)換效率高，超薄等優(yōu)點(diǎn)；偏振轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)簡單，取材廣泛，便于加工，適用范圍廣，并可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場合及要求，通過結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換頻段、轉(zhuǎn)換頻寬的調(diào)節(jié)。
【IPC分類】G02B5/30
【公開號】CN105467498
【申請?zhí)枴緾N201610005225
【發(fā)明人】臧小飛, 劉素吉, 朱亦鳴, 彭滟, 陳麟
【申請人】上海理工大學(xué)
【公開日】2016年4月6日
【申請日】2016年1月5日