本發(fā)明涉及波束分離器，具體涉及一種多通道獨(dú)立調(diào)控的太赫茲波束分離器。

背景技術(shù)：

1、波束分離器是將一束電磁波分成兩個(gè)或多個(gè)方向的光學(xué)器件，已廣泛應(yīng)用于無(wú)線通信、雷達(dá)探測(cè)等領(lǐng)域。目前，常見的波束分離器能夠在遠(yuǎn)場(chǎng)反射或透射出多個(gè)波束。然而這些波束之間相互影響，難以獨(dú)立調(diào)控。多通道波束分離器作為一種能夠同時(shí)產(chǎn)生和獨(dú)立控制波束的設(shè)備，更能夠適應(yīng)現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)的需求。傳統(tǒng)上是通過(guò)波導(dǎo)、衍射光柵或多層膜級(jí)聯(lián)等方式實(shí)現(xiàn)，這使得器件過(guò)于笨重且效率低下，因此不適合緊湊型的太赫茲光學(xué)系統(tǒng)。

2、太赫茲(thz)波是頻率在0.1-10thz，波長(zhǎng)為3mm-30μm的電磁波，在醫(yī)學(xué)、軍事、成像等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。然而，開發(fā)用于操縱太赫茲波的高效、緊湊型設(shè)備仍具有挑戰(zhàn)性。超表面作為新型二維形式的結(jié)構(gòu)，具有精確調(diào)控電磁波幅值、相位和極化的能力，并且制作簡(jiǎn)單、易于集成等優(yōu)勢(shì)，更容易應(yīng)用在太赫茲系統(tǒng)中。其中，編碼超表面將連續(xù)的相位量化，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，目前在波束分離器設(shè)計(jì)中有許多研究。

3、編碼超表面由超表面單元按照一定順序排列而成的，排列順序與波前相位有關(guān)，因此超表面能夠?qū)崿F(xiàn)多樣性的波束調(diào)控功能。2011年，capasso等人提出了廣義斯涅爾定律，用于解釋和指導(dǎo)設(shè)計(jì)超表面。在超表面上引入不連續(xù)的相位使波束產(chǎn)生異常偏轉(zhuǎn)，即相位梯度超表面。相位梯度編碼超表面通過(guò)在整個(gè)表面施加空間變化的相位剖面來(lái)操縱波前，已成為精確控制電磁波傳輸方向的有效方式，有助于創(chuàng)建對(duì)高效分束至關(guān)重要的復(fù)雜相位。

4、目前常用的多通道波束分離器主要存在設(shè)計(jì)復(fù)雜、工作頻段低、帶寬窄、波束不能獨(dú)立調(diào)控、極化不敏感、極化轉(zhuǎn)換效率低等問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種多通道獨(dú)立調(diào)控的太赫茲波束分離器，解決太赫茲波束分離器設(shè)計(jì)復(fù)雜、遠(yuǎn)場(chǎng)主波束不能獨(dú)立調(diào)控、極化轉(zhuǎn)換效率低等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)主波束具有任意偏轉(zhuǎn)角和極化方向。

2、技術(shù)方案：本發(fā)明所述的一種多通道獨(dú)立調(diào)控的太赫茲波束分離器，由金屬-介質(zhì)-金屬的反射式結(jié)構(gòu)，頂層貼片超表面為各向異性的分裂諧振環(huán)結(jié)構(gòu)；其中，超表面由n個(gè)子超表面組成，n個(gè)子超表面以任意方式拼接；每個(gè)子超表面之間相對(duì)獨(dú)立且每個(gè)子超表面獨(dú)立控制一個(gè)反射波束；組合后的波束分離器尺寸與入射太赫茲波光斑大小相同；每個(gè)子超表面又由m個(gè)單元組成。

3、進(jìn)一步的，超表面按照設(shè)計(jì)的梯度相位的方式排列，每個(gè)子超表面中單元排列方式不同使反射的波前相位不同，從而波束偏轉(zhuǎn)到不同的方向。

4、進(jìn)一步的，設(shè)計(jì)的梯度相位的方式排列具體為：相位梯度是由所需要的偏轉(zhuǎn)角根據(jù)廣義斯涅爾定律計(jì)算得到，子超表面具有不同的相位梯度或單元排列方向，當(dāng)太赫茲波照射時(shí)，反射出預(yù)定角度和極化方式的波束。

5、進(jìn)一步的，每個(gè)單元將入射的x線極化太赫茲波或y線極化太赫茲波反射為y線極化波或x線極化波，并通過(guò)旋轉(zhuǎn)諧振環(huán)貼片實(shí)現(xiàn)相位覆蓋360°的范圍。

6、進(jìn)一步的，介質(zhì)為介電常數(shù)為3.0-3.5、損耗角正切為0.005-0.05的聚酰亞胺材料。

7、進(jìn)一步的，聚酰亞胺介質(zhì)厚度為30μm，單元周期為103μm

8、進(jìn)一步的，貼片諧振環(huán)寬度為27μm，內(nèi)半徑為12μm。

9、本發(fā)明所述的一種多通道獨(dú)立調(diào)控的太赫茲波束分離器設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

10、(1)基于各向異性的分裂諧振環(huán)結(jié)構(gòu)建立超表面基本單元，由金屬-介質(zhì)-金屬組成的三層反射式結(jié)構(gòu)，介質(zhì)層為聚酰亞胺材料，介電常數(shù)為3.0-3.5，損耗角正切為0.005-0.05；

11、(2)優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸，包括單元周期、介質(zhì)厚度，以及分裂諧振環(huán)寬度、半徑、開口角度等參數(shù)，使單元工作在特定的太赫茲頻段；在單元結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，分裂諧振環(huán)開口方向?yàn)?5°或-45°，入射的太赫茲波為x或y線極化波，反射波應(yīng)為極化轉(zhuǎn)換后的方向，滿足極化轉(zhuǎn)換效率高于90％，并通過(guò)諧振環(huán)貼片旋轉(zhuǎn)的方式獲得相位360°的覆蓋；

12、(3)將優(yōu)化后的超表面單元按照單元分布排列得到子超表面，采用線極化平面波入射，計(jì)算每個(gè)子超表面反射波束的偏轉(zhuǎn)角；將子超表面組合在一起得到多通道獨(dú)立調(diào)控的波束分離器。

13、進(jìn)一步的，步驟(1)中，包括以下步驟：

14、(11)根據(jù)分束數(shù)量的需要，設(shè)計(jì)n個(gè)子超表面，對(duì)應(yīng)于n個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)波束，這些波束偏轉(zhuǎn)到不同方向；

15、(12)根據(jù)波束偏轉(zhuǎn)的方向計(jì)算n個(gè)子超表面的相位分布即單元排列順序，相鄰單元之間存在相位差實(shí)現(xiàn)波前相位的改變，使波束偏轉(zhuǎn)，通過(guò)廣義斯涅爾定律設(shè)計(jì)和解釋。

16、進(jìn)一步的，步驟(3)中，波束分離器采用線極化波入射，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)分束數(shù)量、偏轉(zhuǎn)角度和遠(yuǎn)場(chǎng)的極化方向。

17、有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下顯著優(yōu)點(diǎn)：(1)本發(fā)明提出的具有多通道獨(dú)立調(diào)控的太赫茲波束分離器，能夠?qū)崿F(xiàn)波束的同時(shí)產(chǎn)生和獨(dú)立調(diào)控。(2)本發(fā)明提出的由子超表面組合的方式，簡(jiǎn)化了器件設(shè)計(jì)難度，并可以通過(guò)替換可調(diào)材料或機(jī)械調(diào)控等方式實(shí)現(xiàn)可調(diào)的多通道波束分離器。(3)本發(fā)明設(shè)計(jì)的波束分離器可以根據(jù)目標(biāo)角度和極化需求進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)優(yōu)化單元結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整工作頻率范圍，更容易與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合。(4)本發(fā)明設(shè)計(jì)的超表面單元通過(guò)旋轉(zhuǎn)頂層貼片，實(shí)現(xiàn)超過(guò)90％的高極化轉(zhuǎn)換效率和360°的相位覆蓋，并具有工作帶寬寬等優(yōu)點(diǎn)。(5)本發(fā)明適用于線極化波、圓極化波等多種入射波形式，滿足多樣性的需求。

技術(shù)特征：

1.一種多通道獨(dú)立調(diào)控的太赫茲波束分離器，其特征在于，由金屬-介質(zhì)-金屬的反射式結(jié)構(gòu)，頂層貼片超表面為各向異性的分裂諧振環(huán)結(jié)構(gòu)；其中，超表面由n個(gè)子超表面組成，n個(gè)子超表面以任意方式拼接；每個(gè)子超表面之間相對(duì)獨(dú)立且每個(gè)子超表面獨(dú)立控制一個(gè)反射波束；組合后的波束分離器尺寸與入射太赫茲波光斑大小相同；每個(gè)子超表面又由m個(gè)單元組成。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多通道獨(dú)立調(diào)控的太赫茲波束分離器，其特征在于，超表面按照設(shè)計(jì)的梯度相位的方式排列，每個(gè)子超表面中單元排列方式不同使反射的波前相位不同，從而波束偏轉(zhuǎn)到不同的方向。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種多通道獨(dú)立調(diào)控的太赫茲波束分離器，其特征在于，設(shè)計(jì)的梯度相位的方式排列具體為：相位梯度是由所需要的偏轉(zhuǎn)角根據(jù)廣義斯涅爾定律計(jì)算得到，子超表面具有不同的相位梯度或單元排列方向，當(dāng)太赫茲波照射時(shí)，反射出預(yù)定角度和極化方式的波束。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多通道獨(dú)立調(diào)控的太赫茲波束分離器，其特征在于，每個(gè)單元將入射的x線極化太赫茲波或y線極化太赫茲波反射為y線極化波或x線極化波，并通過(guò)旋轉(zhuǎn)諧振環(huán)貼片實(shí)現(xiàn)相位覆蓋360°的范圍。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多通道獨(dú)立調(diào)控的太赫茲波束分離器，其特征在于，介質(zhì)為介電常數(shù)為3.0-3.5、損耗角正切為0.005-0.05的聚酰亞胺材料。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種多通道獨(dú)立調(diào)控的太赫茲波束分離器，其特征在于，聚酰亞胺介質(zhì)厚度為30μm-150μm，單元周期為100μm-340μm。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多通道獨(dú)立調(diào)控的太赫茲波束分離器，其特征在于，貼片諧振環(huán)寬度為20μm-30μm，內(nèi)半徑為10μm-120μm。

8.一種多通道獨(dú)立調(diào)控的太赫茲波束分離器設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種多通道獨(dú)立調(diào)控的太赫茲波束分離器設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟(1)中，包括以下步驟：

10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種多通道獨(dú)立調(diào)控的太赫茲波束分離器設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟(3)中，波束分離器采用線極化波入射，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)分束數(shù)量、偏轉(zhuǎn)角度和遠(yuǎn)場(chǎng)的極化方向。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種多通道獨(dú)立調(diào)控的太赫茲波束分離器，由金屬?介質(zhì)?金屬的反射式結(jié)構(gòu)，頂層貼片超表面為各向異性的分裂諧振環(huán)結(jié)構(gòu)；其中，超表面由N個(gè)子超表面組成，N個(gè)子超表面以任意方式拼接；每個(gè)子超表面之間相對(duì)獨(dú)立且每個(gè)子超表面獨(dú)立控制一個(gè)反射波束；組合后的波束分離器尺寸與入射太赫茲波光斑大小相同；每個(gè)子超表面又由M個(gè)單元組成；本發(fā)明適用于線極化波、圓極化波等多種入射波形式，滿足多樣性的需求。

技術(shù)研發(fā)人員：蔣玲,滕燕,李春,李駿,黃正偉,問(wèn)磊
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京林業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/23