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CN116387781B - 一种基于h型超材料的太赫兹隔离器和隔离性能测试系统 - Google Patents

一种基于h型超材料的太赫兹隔离器和隔离性能测试系统 Download PDF

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CN116387781B
CN116387781B CN202211543591.8A CN202211543591A CN116387781B CN 116387781 B CN116387781 B CN 116387781B CN 202211543591 A CN202211543591 A CN 202211543591A CN 116387781 B CN116387781 B CN 116387781B
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李吉宁
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Tianjin University
Beijing Institute of Environmental Features
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Tianjin University
Beijing Institute of Environmental Features
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Abstract

本发明涉及隔离器技术领域，特别涉及一种基于H型超材料的太赫兹隔离器和隔离性能测试系统。本发明实施例提供了一种基于H型超材料的隔离器，包括H型超材料和偏振器；H型超材料包括多个周期单元，周期单元沿互相垂直的相邻单元边缘所在的两个方向周期排列形成超材料；周期单元为包括两个正方形面的长方体，沿厚度方向依次包括第一介质层、第二介质层和第三介质层，第二介质层和第三介质层朝向第一介质层的面均设置有H型金属层；偏振器用于透射偏振方向与线栅的线垂直的偏振光，反射偏振方向与线栅的线平行的偏振光。本发明实施例提供了一种基于H型超材料的隔离器和其对太赫兹波隔离性能的测试系统，能够提供一种隔离太赫兹电磁波的隔离器。

Description

一种基于H型超材料的太赫兹隔离器和隔离性能测试系统
技术领域
本发明涉及隔离器技术领域，特别涉及一种基于H型超材料的隔离器和隔离性能测试系统。
背景技术
隔离器件主要用于器件单元间的级间隔离、阻抗匹配、去耦合，防止系统中反射回波和散射造成有源器件的损坏，减少回波带来的附加噪声，从而提高系统稳定性、可靠性。
在太赫兹光学传输、通讯、雷达探测系统中常常需要克服背向反射光的干扰，因此迫切需要一种针对太赫兹传输的隔离器予以保证太赫兹波的单向高效传输。
发明内容
本发明实施例提供了一种基于H型超材料的太赫兹隔离器和隔离性能测试系统，能够提供一种隔离反射回来的太赫兹电磁波的隔离器。
第一方面，本发明实施例提供了一种基于H型超材料的隔离器，包括H型超材料和偏振器；
所述H型超材料包括多个周期单元，所述周期单元沿互相垂直的相邻单元边缘所在的的两个方向周期排列形成超材料；
所述周期单元为包括两个正方形面的长方体，沿厚度方向依次包括第一介质层、第二介质层和第三介质层，所述第二介质层和所述第三介质层朝向所述第一介质层的面均设置有H型金属层；
H型超材料用于将线偏振光转化为圆偏振光或将圆偏振光转化为线偏振光；
所述偏振器包括线栅，所述线栅包括在同一平面互相平行的多条线，所述线栅的每一条线均与所述H型超材料的周期单元的对角线平行，所述偏振器用于透射偏振方向与所述线栅的线垂直的偏振光，反射偏振方向与所述线栅的线平行的偏振光；
太赫兹电磁波入射到所述偏振器，太赫兹电磁波通过所述偏振器形成第一线偏振光，所述第一线偏振光通过所述H型超材料形成第一圆偏振光，所述第一圆偏振光被后续光学器件反射后形成第二圆偏振光，第二圆偏振光通过所述H型超材料后形成第二线偏振光，所述第一线偏振光和所述第二线偏振光的偏振方向垂直，所述第一圆偏振光和所述第二圆偏振光围绕传播方向的旋转方向相反，所述第二线偏振光的偏振方向与所述线栅的线平行，无法通过所述偏振器，被所述偏振器反射以将太赫兹电磁波隔离，防止反射的太赫兹电磁波影响入射光源。
在一种可能的设计中，所述周期单元的正方形面的边长为50～70μm，所述第一介质层的厚度为3～7μm，所述第二介质层的厚度为15～25μm，所述第三介质层的厚度为5～15μm，所述H型金属层的厚度为180～220nm；
所述H型金属层包括两条互相平行的第一金属条和连接两条所述第一金属条中点的第二金属条，所述第一金属条和所述第二金属条的长度同为30～42μm，宽度同为2～4μm。
在一种可能的设计中，所述H型金属层的制备材料包括金；
所述第一介质层、所述第二介质层和所述第三介质层的制备材料包括聚酰亚胺。
第二方面，本发明实施例还提供了一种隔离性能测试系统，基于上述第一方面中任一项所述的隔离器，包括两个所述隔离器，两个所述隔离器的所述H型超材料在同一光轴上依次放置；
太赫兹电磁波入射到一个所述偏振器，透射后形成所述第一线偏振光，所述第一线偏振光穿过一个所述H型超材料后形成所述第一圆偏振光，所述第一圆偏振光穿过另一个所述H型超材料后形成所述第二线偏振光，所述第二线偏振光和所述第一线偏振光的偏振方向垂直，所述第二线偏振光被另一个偏振器反射出光路；
测量反射出光路的所述第二线偏振光与入射光的光强比即可知道隔离效果，所述第一线偏振光的线偏振方向为所述H型超材料的周期单元的对角线方向，通过测试经过两个所述隔离器的电磁波透射率得到隔离度。
在一种可能的设计中，所述H型超材料正方形面两个相邻边的方向分别为第一方向和第二方向，分别测试所述第二线偏振光在所述第一方向和所述第二方向上的透射率，对两个所述透射率求平均计算得到沿所述H型超材料的周期单元的对角线方向的插入损耗。
在一种可能的设计中，所述线栅的线的直径为8～12μm，所述线栅的线之间的间隔为25～35μm。
在一种可能的设计中，所述线栅的线的制备材料为钨线。
在一种可能的设计中，所述太赫兹电磁波的入射角为40°，在1.51THz处插入损耗为2.17dB，在1.37THz～1.65THz处阻断带宽为280GHz，阻断效率为20dB。
在一种可能的设计中，所述太赫兹电磁波的入射角为10°,在1.51THz时插入损耗减小到1.65dB，在1.42THz到1.59THz时20dB的阻挡效率带宽为170GHz。
本发明与现有技术相比至少具有如下有益效果：
在本实施例中，由于自然界本身缺乏在太赫兹波段具有旋磁或旋电响应的磁光材料，本发明提供了一种人工H型超材料，能够在太赫兹波段具有旋磁或旋电响应。本发明提供的H型超材料由多个周期排列的周期单元构成，周期单元的横截面为正方形，周期单元沿正方形垂直的相邻两边以边长为周期进行排列形成超材料。周期单元由沿厚度方向依次叠加的第一介质层、第二介质层和第三介质层组成，第二介质层和第三介质层朝向第一介质层的表面分别设置有H型金属层，这两层H型金属层上下完全对齐。设置有H型金属层的周期单元形成的超材料在太赫兹电磁波通过时，能够改变太赫兹电磁波的偏振状态。具体地，H型金属层包括两条互相平行的第一金属条和连接两条所述第一金属条中点的第二金属条，太赫兹电磁波穿过超材料时，沿第二金属条延伸方向的太赫兹电场分量增加了相位，从而改变太赫兹电磁波的偏振状态。
在本实施例中，线栅的延伸方向与超材料的周期单元的对角线平行，偏振光在y和x方向(超材料的正方形面的两条相邻边方向)分解为两束振幅相等、相位相同的线偏振光，经过超材料后，在1.5THz附近，两个方向的透射率接近，超材料使y方向的偏振光超前90°，线偏振光转化为左旋圆偏振光，左旋圆偏振光通过反射单元变为右旋圆偏振光，右旋圆偏振光经过超材料后形成135°方向偏振的线偏振光，被偏振器反射出光路。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种太赫兹隔离器的应用结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种隔离性能测试系统的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种隔离器的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种偏振器的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的一种周期单元的侧剖面结构示意图；
图6是本发明实施例提供的一种周期单元的俯视结构示意图；
图7是本发明实施例提供的一种隔离器的隔离度图；
图8是本发明实施例提供的一种隔离器的插入损耗图。
图中：
1-线栅固定环；
2-线栅；
3-H型超材料；
4-超材料固定环；
5-第一介质层；
6-第二介质层；
7-第三介质层；
8-H型金属层；
9-第一金属条；
10-第二金属条。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”、“第二”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；除非另有规定或说明，术语“多个”是指两个或两个以上；术语“连接”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，或电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本说明书的描述中，需要理解的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外，在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件连接在另一个元件“上”或者“下”时，其不仅能够直接连接在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接连接在另一个元件“上”或者“下”。
如图1、3、4、5、6所示，本发明实施例提供了一种基于H型超材料的隔离器，包括H型超材料和偏振器；
H型超材料包括多个周期单元，周期单元沿互相垂直的相邻单元边缘所在的的两个方向周期排列形成超材料；
周期单元为包括两个正方形面的长方体，沿厚度方向依次包括第一介质层、第二介质层和第三介质层，第二介质层和第三介质层朝向第一介质层的面均设置有H型金属层；
H型超材料用于将线偏振光转化为圆偏振光或将圆偏振光转化为线偏振光；
偏振器包括线栅，线栅包括在同一平面互相平行的多条线，线栅的每一条线均与H型超材料的周期单元的对角线平行，偏振器用于透射偏振方向与线栅的线垂直的偏振光，反射偏振方向与线栅的线平行的偏振光；
太赫兹电磁波入射到偏振器，太赫兹电磁波通过偏振器形成第一线偏振光，第一线偏振光通过H型超材料形成第一圆偏振光，第一圆偏振光被后续光学器件反射后形成第二圆偏振光，第二圆偏振光通过H型超材料后形成第二线偏振光，第一线偏振光和第二线偏振光的偏振方向垂直，第一圆偏振光和第二圆偏振光围绕传播方向的旋转方向相反，第二线偏振光的偏振方向与线栅的线平行，无法通过偏振器，被偏振器反射以将太赫兹电磁波隔离，防止反射的太赫兹电磁波影响入射光源。
在本实施例中，由于自然界本身缺乏在太赫兹波段具有旋磁或旋电响应的磁光材料，本发明提供了一种人工H型超材料，能够在太赫兹波段具有旋磁或旋电响应。本发明提供的H型超材料由多个周期排列的周期单元构成，周期单元的横截面为正方形，周期单元沿正方形垂直的两个边以边长为周期进行排列形成超材料。周期单元由沿厚度方向依次叠加的第一介质层、第二介质层和第三介质层组成，第二介质层和第三金属层的上表面设置有H型金属层。设置有H型金属层的周期单元形成的超材料在太赫兹电磁波通过时，能够改变太赫兹电磁波的偏振状态。具体地，H型金属层包括两条互相平行的第一金属条和连接两条所述第一金属条中点的第二金属条，太赫兹电磁波穿过超材料时，沿第二金属条延伸方向的太赫兹电磁波电场分量增加了相位，从而改变太赫兹电磁波的偏振状态。
在本实施例中，线栅的延伸方向与超材料的周期单元的对角线平行，例如，如图1所示位置，太赫兹电磁波经过偏振器后偏振方向与x轴夹角为45°，偏振光在y和x方向(超材料的正方形面的两条相邻边方向)分解为两束振幅相等、相位相同的线偏振光，经过超材料后，在1.5THz附近，两个方向的透射率接近，超材料使y方向的偏振光超前90°，线偏振光转化为左旋圆偏振光，左旋圆偏振光通过反射单元变为右旋圆偏振光，右旋圆偏振光经过超材料后形成135°方向偏振的线偏振波，被偏振器反射出光路。
需要说明的是，反射单元反射太赫兹电磁波后，圆偏振光的旋转方向不变，但光的传播方向发生了变化，因此，相对于传播方向来说，太赫兹电磁波被反射单元反射后，相对传播方向的旋转方向发生改变，相对传播方向由左旋变为右旋或由右旋变为左旋。
在本实施例中，若入射角不为0，则第二线偏振光被反射出光路，对反射出光路的光进行测试可以得到隔离系统的隔离效果。若入射角为45°时，则太赫兹波刚好以垂直于入射光路的方向偏折出系统，设置垂直于偏折光路的接收器以测试太赫兹波0°反射角的性质，需要说明的是，测试反射角为0的后向传输电磁波在研究雷达后向散射中具有重要的意义。若反射角为0，则入射光路和反射光路会重合，导致光波在系统内震荡，在实际应用中光路重合不会影响光学系统的应用和太赫兹电磁波的隔离。
在本发明的一些实施例中，周期单元的正方形面的边长为50～70μm，第一介质层的厚度为3～7μm，第二介质层的厚度为15～25μm，第三介质层的厚度为5～15μm，H型金属层的厚度为180～220nm；
H型金属层包括两条互相平行的第一金属条和连接两条第一金属条中点的第二金属条，第一金属条和第二金属条的长度同为30～42μm，宽度同为2～4μm。
在本实施例中，周期单元的正方形面的边长为50～70μm，第一介质层的厚度为3～7μm，第二介质层的厚度为15～25μm，第三介质层的厚度为5～15μm，H型金属层的厚度为180～220nm。周期单元的参数能够影响超材料的性能，参数在上述内，超材料改变太赫兹波偏振状态的效果优异。
在本实施例中，H型金属层包括两条互相平行的第一金属条和连接两条第一金属条中点的第二金属条，第一金属条和第二金属条的长度同为30～42μm，宽度同为2～4μm。H型金属层的参数能够影响超材料的性能，参数在上述内，超材料改变太赫兹波偏振状态的效果优异。
在本发明的一些实施例中，H型金属层的制备材料包括金；
第一介质层、第二介质层和第三介质层的制备材料包括聚酰亚胺。
在本实施例中，金具有优异的、稳定的物理化学性质，是优秀的导体，具有优异的可加工性。选择金作为H型金属层的制备材料，能够进一步提升超材料的性能，还便于加工制作以得到超材料。
在本实施例中，第一介质层、第二介质层和第三介质层的制备材料包括聚酰亚胺，聚酰亚胺具有柔性，具有绝缘性，工艺成熟，便于加工，同时还是传播太赫兹电磁波的良好介质。
如图2、3和4所示，本发明实施例还提供了一种隔离性能测试系统，基于上述中任一项所述的隔离器，包括两个所述隔离器，两个所述隔离器的所述H型超材料在同一光轴上依次放置；
太赫兹电磁波入射到一个所述偏振器，透射后形成所述第一线偏振光，所述第一线偏振光穿过一个所述H型超材料后形成所述第一圆偏振光，所述第一圆偏振光穿过另一个与前面平行的所述H型超材料后形成所述第二线偏振光，所述第二线偏振光和所述第一线偏振光的偏振方向垂直，所述第二线偏振光被另一个偏振器反射出光路。
通过上述方法，可以测量任何入射角下的隔离效果，即便入射角为0，只需将光路后面的偏振器的角度进行偏转，即可将第二线偏振光反射出光路，进而能够对反射出光路的第二线偏振光进行测试，测量反射出光路的反射光与入射光的光强比即可知道隔离效果，所述第一线偏振光的线偏振方向为所述H型超材料的周期单元的对角线方向，通过测试经过两组同向放置的所述偏振器和所述超材料的组合后的透射率得到隔离度；
所述H型超材料正方形面两个相邻边的方向分别为第一方向和第二方向，分别测试所述第二线偏振光在所述第一方向和所述第二方向上的透射率，对两个所述透射率求平均计算得到沿所述H型超材料的周期单元的对角线方向的插入损耗。
利用琼斯矩阵确定偏振态的公式如下:
其中，Ein、G1、G2分别表示线偏振波LP通过偏光镜、超材料四分之一波片QWP(快轴沿y方向)和反射分量的定性Jones矩阵，i为虚数单位。由于反射光束传播方向的改变，使得坐标系发生了变化，T表示两个坐标系之间的坐标变换矩阵。由Ein和Er可以看出，反射的线偏振波LP波垂直于偏光镜的偏振方向，所以无法通过偏光镜。由于THz-TDS光程的限制，实验中测量了放置在同一方向的两个超材料QWP的透射率，如图2所示，相当于图1中的阻挡反射过程，对应的Jones矩阵如下:
由式(1)和式(2)可知，两种方法得到的线偏振波LP波是一致的。基于上述方法，通过连续两个超材料QWP，测量线偏振波LP在不同入射角下的透射率，计算出阻挡效率(进入阻挡层的光功率与从阻挡层出射的光功率之比)。
在本发明的图1和图2中，超材料由多个周期单元组成，为了便于观察和理解，在图1、2中以一个周期单元来表示超材料。
在本发明的一些实施例中，线栅的线的直径为8～12μm，线栅的线之间的间隔为25～35μm。
在本实施例中，由上述参数的线栅制成的偏振器在偏振方向的透射率为1，在垂直偏振方向的方向上透射率为0.005。
在本发明的一些实施例中，线栅的线的制备材料为钨线。
在本实施例中，采用钨线制作的线栅具有高对比度。
如图7、8所示，在本发明的一些实施例中，太赫兹电磁波的入射角为40°，在1.51THz处插入损耗为2.17dB，在1.37THz～1.65THz处阻断带宽为280GHz，阻断效率为20dB。
在本实施例中，当入射角为40°时，系统的阻断效率较高。
在本发明的一些实施例中，太赫兹电磁波的入射角为10°,在1.51THz时插入损耗减小到1.65dB，在1.42THz到1.59THz时20dB的阻挡效率带宽为170GHz。
在本实施例中，当入射角为10°时，系统的插入损耗较小。
在本实施例中，传输隔离系统中的反射单元可以是任何光学器件，在需要隔离光学器件产生的太赫兹背光反射时，只需在光学器件前设置偏振器和H型超材料的组合即可隔离掉太赫兹背光反射。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于H型超材料的太赫兹隔离器，其特征在于，包括H型超材料和偏振器；
所述H型超材料包括多个周期单元，所述周期单元沿互相垂直的相邻单元边缘所在的的两个方向周期排列形成超材料；
所述周期单元为包括两个正方形面的长方体，沿厚度方向依次包括第一介质层、第二介质层和第三介质层，所述第二介质层和所述第三介质层朝向所述第一介质层的面均设置有H型金属层；
H型超材料用于将线偏振光转化为圆偏振光或将圆偏振光转化为线偏振光；
所述偏振器包括线栅，所述线栅包括在同一平面互相平行的多条线，所述线栅的每一条线均与所述H型超材料的所述周期单元的对角线平行，所述偏振器用于透射偏振方向与所述线栅的线垂直的偏振光，反射偏振方向与所述线栅的线平行的偏振光；
太赫兹电磁波入射到所述偏振器，太赫兹电磁波通过所述偏振器形成第一线偏振光，所述第一线偏振光通过所述H型超材料形成第一圆偏振光，所述第一圆偏振光被后续光学器件反射后形成第二圆偏振光，第二圆偏振光通过所述H型超材料后形成第二线偏振光，所述第一线偏振光和所述第二线偏振光的偏振方向垂直，所述第一圆偏振光和所述第二圆偏振光的旋转方向相反，所述第二线偏振光的偏振方向与所述线栅的线平行，无法通过所述偏振器，被所述偏振器反射以将太赫兹电磁波隔离，防止反射的太赫兹电磁波影响入射光源。
2.根据权利要求1所述的隔离器，其特征在于，所述周期单元的正方形面的边长为50～70μm，所述第一介质层的厚度为3～7μm，所述第二介质层的厚度为15～25μm，所述第三介质层的厚度为5～15μm，所述H型金属层的厚度为180～220nm；
所述H型金属层包括两条互相平行的第一金属条和连接两条所述第一金属条中点的第二金属条，所述第一金属条和所述第二金属条的长度同为30～42μm，宽度同为2～4μm。
3.根据权利要求2所述的隔离器，其特征在于，所述H型金属层的制备材料包括金；
所述第一介质层、所述第二介质层和所述第三介质层的制备材料包括聚酰亚胺。
4.一种隔离性能测试系统，其特征在于，基于权利要求1-3任一项所述的隔离器，包括两个所述隔离器，两个所述隔离器的所述H型超材料在同一光轴上依次放置；
太赫兹电磁波入射到一个所述偏振器，透射后形成所述第一线偏振光，所述第一线偏振光穿过一个所述H型超材料后形成所述第一圆偏振光，所述第一圆偏振光穿过另一个所述H型超材料后形成所述第二线偏振光，所述第二线偏振光和所述第一线偏振光的偏振方向垂直，所述第二线偏振光被另一个偏振器反射出光路；
测量反射出光路的所述第二线偏振光与入射光的光强比即可知道隔离效果，所述第一线偏振光的线偏振方向为所述H型超材料的所述周期单元的对角线方向，通过测试经过两个所述隔离器的电磁波透射率得到隔离度。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述H型超材料正方形面两个相邻边的方向分别为第一方向和第二方向，分别测试所述第二线偏振光在所述第一方向和所述第二方向上的透射率，对两个所述透射率求平均计算得到沿所述H型超材料的所述周期单元的对角线方向的插入损耗。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述线栅的线的直径为8～12μm，所述线栅的线之间的间隔为25～35μm。
7.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述线栅的线的制备材料为钨线。
8.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述太赫兹电磁波的入射角为40°，在1.51THz处插入损耗为2.17dB，在1.37THz～1.65THz处阻断带宽为280GHz，阻断效率为20dB。
9.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述太赫兹电磁波的入射角为10°,在1.51THz时插入损耗减小到1.65dB，在1.42THz到1.59THz时20dB的阻挡效率带宽为170GHz。
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