本發(fā)明涉及編碼超表面，尤其是涉及一種基于二氧化釩的多偏振復(fù)用的太赫茲編碼超表面。

背景技術(shù)：

1、超材料(metamaterial)是一種由人工制造的亞波長單元陣列結(jié)構(gòu)，通過精心設(shè)計，這些材料可以展現(xiàn)出自然界中無法找到的獨特物理性質(zhì)，如負(fù)介電常數(shù)、負(fù)磁導(dǎo)率、負(fù)折射率或零折射率等。超材料的電磁特性可以通過等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率來描述，這兩個參數(shù)決定了超材料的折射率，從而確定了入射波的傳輸方式。通過這種設(shè)計，可以突破自然材料在介電常數(shù)和磁導(dǎo)率方面的限制，理論上，人們可以根據(jù)需要設(shè)計出任意介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的超材料，實現(xiàn)各種功能。

2、然而，超材料需要通過空間中的相位累積來調(diào)控電磁波，這意味著在傳播方向上需要一定的厚度，這導(dǎo)致了設(shè)計和加工上的諸多不便，例如體積大、質(zhì)量重、不易集成等。超表面(metasurface)作為一種超材料的二維平面形式，不依賴于傳播方向上的相位和幅度累積來操控電磁波，而是通過在結(jié)構(gòu)表面上發(fā)生的相位或幅度變化，并通過累積這些變化來實現(xiàn)對電磁波的任意操控。因此，超表面只需要單層或超薄的多層結(jié)構(gòu)，在垂直于傳輸方向的橫截面上進行二維排列即可實現(xiàn)其功能。

3、在2014年，東南大學(xué)崔鐵軍教授課題組提出“數(shù)字編碼超表面”和“可編程編碼超表面”的概念，用數(shù)字化的方式實現(xiàn)電磁信息的調(diào)控，使得超表面與信息科學(xué)連接了起來。一比特數(shù)字編碼超表面的數(shù)字狀態(tài)“0”和“1”分別代表了0和π的相位。這里的相位不是絕對的相位值，而是兩個編碼狀態(tài)之間的相位差。編碼超表面的概念也可擴展到二比特甚至更高，實現(xiàn)更靈活的電磁信息調(diào)控。當(dāng)編碼圖樣被不同的數(shù)字狀態(tài)所構(gòu)建形成不同的排布時，空間中的電磁輻射功能也會發(fā)生相應(yīng)的變化，實現(xiàn)諸如多波束，單波束偏轉(zhuǎn)，雷達散射截面縮減和渦旋光束等功能。

4、隨著當(dāng)今社會的發(fā)展，單一功能的偏振器件很難滿足需求，如在波束賦形、波束掃描、和近場聚焦等領(lǐng)域都需要實時動態(tài)調(diào)控。因此，讓超表面具有動態(tài)調(diào)節(jié)電磁波的能力，是當(dāng)前超表面領(lǐng)域一個值得深入研究的課題。

5、vo2是一種典型的相變材料，能夠在外部刺激的作用下經(jīng)歷顯著的絕緣-金屬相變(insulator-to-metaltransition，imt)。在室溫下，vo2處于絕緣狀態(tài)。當(dāng)溫度升高到超過其相變溫度341k(約68℃)時，vo2會處于金屬態(tài)，其晶格結(jié)構(gòu)由低溫時的單斜金紅石結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷貢r的四方金紅石結(jié)構(gòu)。這一變化導(dǎo)致其電導(dǎo)率的變化范圍可達3-5個數(shù)量級。

6、現(xiàn)有技術(shù)中，一些結(jié)合vo2的可調(diào)諧超表面來實現(xiàn)對線偏振與圓偏振的波前調(diào)控，但受限于幾何相位帶來的固有限制，導(dǎo)致在圓偏振的操控中無法利用共極化分量，且會造成左旋與右旋偏振光的功能鎖定，不利于超表面在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中的多功能集成和復(fù)用。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種基于二氧化釩的多偏振復(fù)用的太赫茲編碼超表面，以實現(xiàn)對線偏振和圓偏振分量的操控。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于二氧化釩的多偏振復(fù)用的太赫茲編碼超表面，包括底板和設(shè)置于底板上表面的介質(zhì)層，所述介質(zhì)層上表面設(shè)有金屬層和二氧化釩，所述底板和所述介質(zhì)層的周期均為p＝150μm；

3、所述金屬層包括方形開口環(huán)和設(shè)置于方形開口環(huán)內(nèi)部的十字橢圓，所述二氧化釩嵌入在所述方形開口環(huán)的縫隙處。

4、優(yōu)選的，所述十字橢圓的橫向橢圓尺寸為lx，所述十字橢圓的縱向橢圓尺寸為ly，其中，lx與ly均為非固定值，lx與ly的長度區(qū)間均為10～100μm。

5、優(yōu)選的，所述二氧化釩為相變材料，通過溫度調(diào)控二氧化釩由絕緣態(tài)到金屬態(tài)的可逆轉(zhuǎn)變，具體如下：

6、二氧化釩處于絕緣態(tài)時，采取傳播相位的方式，二氧化釩處于金屬態(tài)時具有金屬性質(zhì)，此時，所述二氧化釩的長度為lv，lv為非固定值，其長度區(qū)間為5～65μm。

7、優(yōu)選的，所述二氧化釩處于金屬態(tài)時，所述方形開口環(huán)閉合，形成各向同性結(jié)構(gòu)。

8、優(yōu)選的，所述介質(zhì)層為聚酰亞胺，其厚度為t1＝30μm，介電常數(shù)為ε＝3.5，正切損耗為tanδ＝0.0027。

9、優(yōu)選的，所述方形開口環(huán)的外邊長為l＝140μm，內(nèi)部寬度為g＝20μm，所述十字橢圓的短軸w＝10μm。

10、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于二氧化釩的多偏振復(fù)用的太赫茲編碼超表面在24×24個單元的超表面陣列中的應(yīng)用。

11、優(yōu)選的，當(dāng)處于絕緣態(tài)時，將y偏振的太赫茲波垂直照射到所述超表面陣列時，反射的y偏振太赫茲波按31.9°分成兩個沿x方向的波瓣在0.315thz；

12、當(dāng)處于金屬態(tài)時，將左旋圓偏振光的太赫茲波垂直照射到所述超表面陣列時，反射的左旋圓偏振光太赫茲波按40°分成四個波瓣在1.1thz。

13、改變十字橢圓橫向與縱向相位差，設(shè)計了線偏振和圓偏振共極化調(diào)控的超表面，vo2絕緣態(tài)時，具備了將y偏振光轉(zhuǎn)換為雙波束的能力，vo2金屬態(tài)時，具備了將左旋圓偏振光轉(zhuǎn)換為四波束的能力。

14、優(yōu)選的，當(dāng)處于絕緣態(tài)時，將x偏振的太赫茲波垂直照射到所述超表面陣列時，反射的太赫茲波按29°分成兩個沿y方向的波瓣在0.315thz；

15、當(dāng)處于金屬態(tài)時，將左旋圓偏振的太赫茲波垂直照射到所述超表面陣列時，反射的左旋圓偏振太赫茲波偏折到29°，反射的右旋圓偏振太赫茲波形成一個渦旋光束在1.1thz，相位呈360°螺旋分布，為+1階渦旋光束特征。

16、改變十字橢圓橫向與縱向相位差，設(shè)計了線偏振和圓偏振共極化及交叉極化調(diào)控的超表面，vo2絕緣態(tài)時，備了將x偏振光轉(zhuǎn)換為雙波束的能力，金屬態(tài)時，具備了將左旋圓偏振光轉(zhuǎn)換為單波束偏轉(zhuǎn)和右旋圓偏振的渦旋光束的能力。

17、優(yōu)選的，當(dāng)處于絕緣態(tài)時，將x偏振的太赫茲波垂直照射到所述超表面陣列時，反射的太赫茲波按40.3°分成兩個沿x方向的波瓣在0.515thz；

18、當(dāng)處于金屬態(tài)時，所述超表面陣列左旋圓偏振的電場能量被聚焦在焦平面40μm處，相位螺旋變化360°；右旋圓偏振的電場能量被聚焦在焦平面1200μm處，相位螺旋變化720°。

19、改變十字橢圓橫向與縱向相位差，設(shè)計了線偏振和兩個正交圓偏振解耦的超表面，vo2絕緣態(tài)時，具備了將x偏振光轉(zhuǎn)換為雙波束的能力，金屬態(tài)時具備了將兩個正交圓偏振光轉(zhuǎn)換為不同焦平面和拓?fù)浜蓴?shù)的聚焦渦旋的能力。

20、因此，本發(fā)明采用上述一種基于二氧化釩的多偏振復(fù)用的太赫茲編碼超表面，有益效果如下：

21、(1)本發(fā)明超表面為相變材料、金屬層和介質(zhì)層組成的三明治結(jié)構(gòu)，利用這種結(jié)構(gòu)設(shè)計了多個編碼超表面陣列，例如線偏振和圓偏振共極化調(diào)控的超表面、線偏振和圓偏振共極化及交叉極化調(diào)控的超表面、線偏振和兩個正交圓偏振解耦的超表面。在溫度變化下，vo2具有絕緣-金屬轉(zhuǎn)變的特性，在絕緣態(tài)可實現(xiàn)線偏振的一比特編碼，金屬態(tài)可實現(xiàn)圓偏振的一比特或二比特編碼。具體為在vo2絕緣態(tài)時，線偏振和圓偏振共極化調(diào)控的超表面具備了將y偏振光轉(zhuǎn)換為雙波束的能力，在vo2金屬態(tài)時，具備了將左旋圓偏振光轉(zhuǎn)換為四波束的能力；在絕緣態(tài)時，線偏振和圓偏振共極化及交叉極化調(diào)控的超表面具備了將x偏振光轉(zhuǎn)換為雙波束的能力，在金屬態(tài)時，具備了將左旋圓偏振光轉(zhuǎn)換為單波束偏轉(zhuǎn)和右旋圓偏振的渦旋光束的能力；在絕緣態(tài)時，線偏振和兩個正交圓偏振解耦的超表面具備了將x偏振光轉(zhuǎn)換為雙波束的能力，在金屬態(tài)時，具備了將兩個正交圓偏振光轉(zhuǎn)換為不同焦平面和拓?fù)浜蓴?shù)的聚焦渦旋的能力。

22、(2)本發(fā)明通過調(diào)節(jié)溫度使vo2從絕緣態(tài)向金屬態(tài)轉(zhuǎn)變，能夠?qū)崿F(xiàn)線偏振與圓偏振波束不同功能的復(fù)用，并且通過在圓偏振中結(jié)合傳播相位與幾何相位，能夠?qū)崿F(xiàn)共極化與交叉極化分量功能的獨立調(diào)控以及左旋與右旋圓偏振光的解耦，解決了對圓偏振操控中只能利用交叉分量和左旋與右旋圓偏振光功能鎖定的限制，有利于多功能的集成，拓展了編碼超表面器件的應(yīng)用前景。

23、下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細(xì)描述。