本發(fā)明屬于偏振調(diào)制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種多功能柔性動(dòng)態(tài)偏振調(diào)制器件。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)偏振調(diào)制技術(shù)主要通過各向異性介質(zhì)或者漸變波導(dǎo)等器件實(shí)現(xiàn)，具有體積大、工作頻段單一，且難以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)偏振調(diào)控等缺陷。近些年出現(xiàn)的人工結(jié)構(gòu)材料，其由人為設(shè)計(jì)的亞波長(zhǎng)單元結(jié)構(gòu)陣列化排布而成，對(duì)電磁波具有異常強(qiáng)大的調(diào)控能力，已經(jīng)普遍用于實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波輻射特性、吸收特性、偏振調(diào)制特性等的人為操控。雖然亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)具有尺寸小、厚度薄、能量利用效率高、工作頻點(diǎn)、電磁調(diào)控能力可任意設(shè)計(jì)等諸多優(yōu)勢(shì)，但是利用亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的動(dòng)態(tài)調(diào)控仍舊是本領(lǐng)域的一大難點(diǎn)。由于亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的電磁調(diào)制能力主要取決于其單元結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)尺寸，因此實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電磁調(diào)控即需要改變其結(jié)構(gòu)形式或者單元結(jié)構(gòu)的尺寸。但是傳統(tǒng)亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)一般是由固態(tài)金屬或者介質(zhì)構(gòu)造而成，一經(jīng)加工完成，其結(jié)構(gòu)形式和尺寸均難以改變。

近幾年，有研究學(xué)者提出在亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的單元中引入半導(dǎo)體材料或元件，利用半導(dǎo)體材料在外加電壓的控制下改變自身材料特性的方法，間接調(diào)控亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的單元形式，從而動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)其電磁調(diào)制功能。但是這些加載半導(dǎo)體材料或元件均需要在硬質(zhì)基底上才能制作，為人工結(jié)構(gòu)材料在裝備的共形設(shè)計(jì)帶來了一定的限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，針對(duì)現(xiàn)有偏振調(diào)制器件存在的不足，提供一種可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波偏振態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)控的柔性偏振調(diào)制器件。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

一種多功能柔性動(dòng)態(tài)偏振調(diào)制器件，從上至下依次包括：頂層金屬亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)陣列、介質(zhì)層和底層金屬亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)陣列，其中，

(1)所述頂層金屬亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)陣列為在x方向和y方向周期排列的離散的各向異性結(jié)構(gòu)。

(2)所述介質(zhì)層為在工作波段透明的柔性可拉伸變形的介質(zhì)材料，所述變形為雙向、可逆的變形，所述介質(zhì)層在二維平面內(nèi)可沿各個(gè)方向拉伸；

(3)所述底層金屬亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)陣列為在x方向和y方向周期排列的離散的各向異性結(jié)構(gòu)，在x方向或y方向拉伸，所述的各向異性結(jié)構(gòu)在拉伸方向非連續(xù)，在不拉伸的方向是連續(xù)的。所述底層金屬亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)陣列具有頻率選擇特性，在低頻處對(duì)y偏振電磁波具有高效反射特性，可作為反射式偏振調(diào)制器件的反射面；而其在高頻處具有高效透射特性；

該偏振調(diào)制器件具有在微波段低頻處和太赫茲波段反射式偏振調(diào)控以及微波段高頻處透射式偏振調(diào)控功能。當(dāng)作為反射式偏振調(diào)制器件時(shí)，該器件可將線偏振轉(zhuǎn)換為交叉偏振，偏振調(diào)制諧振頻點(diǎn)移動(dòng)范圍大于20％；當(dāng)作為透射式偏振調(diào)制器件時(shí)，該器件可將線偏振轉(zhuǎn)換為圓偏振，偏振調(diào)制諧振頻點(diǎn)移動(dòng)范圍不小于3％。其中，所述低頻為頻率范圍在C-Ku波段，所述高頻為頻率范圍在Ka波段；高效反射指反射率可接近100％，高效透射指透射率可接近100％。

其中，所述柔性可拉伸的介質(zhì)材料包括：聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚丙烯、聚對(duì)二甲苯。

其中，所述介質(zhì)層的厚度為可輕松拉伸變形同時(shí)能保證拉伸過程中結(jié)構(gòu)的完整，厚度約為：0.5-3mm。

其中，頂層和底層金屬亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)所用金屬材料可相同或不同，所用金屬所用金屬的電導(dǎo)率大于10⁴。

其中，所述器件可沿底層金屬亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)非連續(xù)的方向拉伸，使器件整體在該方向延展，改變頂層和底層金屬亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的在該方向的周期，而同時(shí)保證另一個(gè)方向上器件不發(fā)生形變。

其中，所述器件適用于微波、太赫茲波段。

與現(xiàn)有技術(shù)相比的，本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)低頻諧振點(diǎn)處將入射線偏振電磁波轉(zhuǎn)換為交叉偏振，而在高頻諧振點(diǎn)處可將入射線偏振波轉(zhuǎn)換為圓偏振波并實(shí)現(xiàn)高效率透射。通過外力拉伸器件，改變其結(jié)構(gòu)面形，可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)偏振調(diào)制諧振頻點(diǎn)，頻率調(diào)節(jié)范圍大于20％。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明在微波段低頻處反射波的主偏振和交叉偏振態(tài)的反射率曲線，其中圖2(a)為未拉伸時(shí)的反射率曲線，圖2(b)為拉伸后的反射率曲線；

圖3為本發(fā)明在微波段高頻處透射波的主偏振和交叉偏振的透射率曲線，其中圖3(a)為未拉伸時(shí)的透射率曲線，圖3(b)為拉伸后的透射率曲線；

圖4為本發(fā)明在太赫茲波段反射波的線偏振和圓偏振的反射率曲線，其中圖4(a)為未拉伸時(shí)的反射率曲線，圖4(b)為拉伸后的反射率曲線。

附圖標(biāo)記含義為：

1是頂層金屬亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)陣列；

2是柔性可拉伸的介質(zhì)層；

3是底層金屬亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)陣列；

4-1是拉力；

4-2是拉力。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施進(jìn)行詳細(xì)說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅限于下面的實(shí)施例，下面的具體實(shí)施方式僅僅是示意性的，而不是限制性的，應(yīng)包括權(quán)利要求書中的全部?jī)?nèi)容；而且本領(lǐng)域技術(shù)人員從以下的一個(gè)實(shí)施例即可實(shí)現(xiàn)權(quán)力要求書中的全部?jī)?nèi)容，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明的宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可做出很多形式，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。

實(shí)施例1微波段的動(dòng)態(tài)偏振調(diào)制功能

如圖1所示為本發(fā)明一種多功能柔性動(dòng)態(tài)偏振調(diào)制器件，該偏振調(diào)制器件包括：頂層“工”字形金亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)陣列，底層金線結(jié)構(gòu)陣列，以及中間層聚二甲基硅氧烷(PDMS)。其中，頂層“工”字形金屬Au亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的特征尺寸為l＝7mm，w＝1mm，d＝5mm，t＝2.7mm，x方向和y方向的周期p_x＝p_y＝8mm；底層金屬線條數(shù)設(shè)計(jì)為兩條；中間層PDMS在微波波段介電常數(shù)為1.96。結(jié)構(gòu)形式上看，頂層金屬Au亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)具有明顯的各向異性，因此可以調(diào)節(jié)兩個(gè)正交方向上反射電磁波的相位差。

將一束電場(chǎng)方向與x軸和y軸夾角為45°的電磁波沿著-z方向正入射到該人工結(jié)構(gòu)材料表面時(shí)，其可分解為兩個(gè)分別沿著x方向和y方向的振幅和相位均相等的正交電場(chǎng)，這兩個(gè)正交電場(chǎng)分別受到頂層和底層金屬結(jié)構(gòu)的反射調(diào)制，產(chǎn)生180°的相位差，同時(shí)保持反射率接近100％。反射電場(chǎng)在反射面疊加，產(chǎn)生于入射電磁波偏振態(tài)正交的交叉偏振電磁波。

如圖2(a)所示為未拉伸時(shí)反射波的主偏振和交叉偏振態(tài)的反射率曲線。參見圖2(a)，反射場(chǎng)中交叉偏振態(tài)的反射率在8.3GHz處達(dá)到峰值，接近1；與此同時(shí)，主偏振態(tài)的反射率接近0，偏振轉(zhuǎn)換效率接近100％。表明該器件在未拉伸狀態(tài)下具有偏振轉(zhuǎn)換效果，可將入射的線偏振電磁波反射為其交叉偏振態(tài)的電磁波。

接下來對(duì)本發(fā)明的偏振調(diào)制器件在x方向施加拉力進(jìn)行拉伸，在拉伸狀態(tài)下的偏振調(diào)制功能如圖2(b)所示，保持入射電磁波偏振態(tài)不變的情況下，不同拉伸比例對(duì)應(yīng)的主偏振和交叉偏振的反射率極小值和極大值對(duì)應(yīng)的諧振頻點(diǎn)隨拉伸比例s的增加而向高頻移動(dòng)。當(dāng)拉伸比例s分別為1.1、1.3和1.5時(shí)，對(duì)應(yīng)的諧振頻點(diǎn)分別為8.6GHz、9.15GHz和10GHz，與未拉伸狀態(tài)的諧振頻點(diǎn)相比，該器件在拉伸比例為1.5時(shí)，其諧振頻點(diǎn)的移動(dòng)范圍超過20％。

由該器件頂層和底層金屬結(jié)構(gòu)的離散化的結(jié)構(gòu)形式可知，在微波段高頻電磁波可透過該結(jié)構(gòu)。依然以電場(chǎng)方向與x軸和y軸均成45°的線偏振電磁波沿z方向正入射到該亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)上，出射場(chǎng)中x偏振和y偏振分量的振幅相同，相位相差90°，即將入射的線偏振電磁波轉(zhuǎn)換成為圓偏振電磁波。出射場(chǎng)的左旋圓偏振和右旋圓偏振透過率曲線如圖3(a)所示，在未拉伸狀態(tài)下，在25.1GHz處，出射電磁波中左旋圓偏振分量的透過率達(dá)到0.95，而右旋圓偏振分量的透過率接近0，證明在該諧振點(diǎn)處入射的線偏振波被完全轉(zhuǎn)換為左旋圓偏振波。

與低頻波段的反射式偏振調(diào)控不同，在高頻段的透射式圓偏振調(diào)控，其諧振頻點(diǎn)隨結(jié)構(gòu)的拉伸變化并不明顯，如圖3(b)所示，當(dāng)拉伸比例s增加到1.3時(shí)，其諧振頻點(diǎn)向低頻移動(dòng)至24.35GHz，其變化范圍僅為3％。這種諧振頻點(diǎn)的穩(wěn)定性可保證實(shí)際通信應(yīng)用中系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

實(shí)施例2太赫茲波段的動(dòng)態(tài)偏振調(diào)制功能

基于圖1所示的工作在微波波段的柔性偏振動(dòng)態(tài)調(diào)制器件，通過縮放其單元結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，可將其工作頻點(diǎn)由微波波段提升至太赫茲波段。其中，頂層“工”字形金屬亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的幾何尺寸為：l＝1.6μm,w＝0.3μm,d＝1.1μm,厚度t＝9μm，周期p_x＝p_y＝2μm。為提高其反射效率，將單元結(jié)構(gòu)底層金屬線條數(shù)由兩條增加到三條。

線偏振波入射情況下，該結(jié)構(gòu)在27.2THz將入射的線偏振波完全轉(zhuǎn)換為交叉線偏振波，反射率曲線如圖4(a)所示。當(dāng)在x方向?qū)啿ㄩL(zhǎng)結(jié)構(gòu)施加外力，將亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)在x方向上拉伸時(shí)，亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的偏振調(diào)制諧振頻點(diǎn)同樣發(fā)生移動(dòng)。當(dāng)拉伸比例s分別為1.2和1.4時(shí)，對(duì)應(yīng)的諧振頻點(diǎn)分別為32THz和37THz，如圖4(b)所示，對(duì)應(yīng)的頻率移動(dòng)范圍達(dá)到36％。

以上具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行闡述，只是為了幫助理解本發(fā)明，不應(yīng)對(duì)本發(fā)明的權(quán)利要求所保護(hù)的范圍有所限制。