陳樂(lè)迪 范仁浩 劉雨 唐貢惠 馬中麗 彭茹雯 王牧

(南京大學(xué)物理學(xué)院,固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210093)

基于柔性超構(gòu)材料從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面研究其對(duì)太赫茲波偏振態(tài)的寬帶調(diào)控.首先以空間對(duì)稱性破缺的L 型金屬-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)為基本單元,構(gòu)造出太赫茲手性超構(gòu)材料.當(dāng)太赫茲波與其相互作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生一系列電偶極子,其時(shí)間響應(yīng)可通過(guò)改變復(fù)合結(jié)構(gòu)的幾何參量來(lái)有效地調(diào)控,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)太赫茲波從線偏振態(tài)到圓偏振態(tài)的寬帶高效轉(zhuǎn)換.理論分析表明該手性超構(gòu)材料中電偶極子的輻射隨著入射角變化基本保持不變,從而利用該太赫茲手性超構(gòu)材料可以構(gòu)造能產(chǎn)生圓偏振態(tài)的柔性太赫茲波片,基于等效電路模型給出了該柔性太赫茲波片在彎曲情況下的工作原理.實(shí)驗(yàn)上,以柔性聚合物為介質(zhì)層,利用光刻等微加工技術(shù)制備出基于該超構(gòu)材料的柔性太赫茲波片,結(jié)果表明當(dāng)線偏振太赫茲波入射到樣品時(shí),該樣品能夠在0.46—0.62 THz寬帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)由線偏振態(tài)到圓偏振態(tài)的高效轉(zhuǎn)換,同時(shí)在彎曲程度不同的情況下出射波均能保持穩(wěn)定的圓偏振態(tài).這種基于柔性超構(gòu)材料來(lái)寬帶調(diào)控太赫茲波偏振態(tài)的方案將有望應(yīng)用于6G 通信、分子探測(cè)等領(lǐng)域.

1 引言

隨著第五代移動(dòng)通信技術(shù)(5G)的大規(guī)模商用,人們已經(jīng)開(kāi)始了對(duì)新一代的移動(dòng)通信技術(shù)(6G)的探索和研究[1,2].6G 網(wǎng)絡(luò)比5G 要求更高的傳輸速率(約1 Tbps)、更低的延遲(＜1 ms)、更高的可靠性和安全性[3-5],這樣的傳輸需求是傳統(tǒng)微波頻段難以滿足的.而太赫茲頻譜范圍是0.1—10 THz,和微波相比,其頻率更高、帶寬更大、響應(yīng)時(shí)間更短[6,7],可以滿足日益增長(zhǎng)的高速率、低延遲等技術(shù)需求,因此太赫茲波通信技術(shù)被認(rèn)為是6G 通信的革命性技術(shù)[4,8-10].在衛(wèi)星通信中,電磁波的偏振信息對(duì)于通信過(guò)程是至關(guān)重要的,線偏振波在傳播過(guò)程中遇到散射常會(huì)引起偏振方向偏轉(zhuǎn),這將導(dǎo)致接收端電磁波與接收天線的偏振失配,而利用圓偏振波通信可以有效緩解這樣的傳輸干擾[11,12].目前,具有圓偏振特性的各種高增益微波天線如貼片天線、偶極天線、反射陣列天線、螺旋天線等[13]已被報(bào)道可用于衛(wèi)星通信.然而,在太赫茲波段設(shè)計(jì)能夠精準(zhǔn)控制圓偏振特性的天線仍然是具有挑戰(zhàn)性的.考慮到目前商用的太赫茲源所發(fā)射的一般是具有線偏振態(tài)的太赫茲波,將線偏振態(tài)轉(zhuǎn)換成圓偏振態(tài)來(lái)獲得圓偏振太赫茲波將是一種有效的解決方案.除此之外,隨著可穿戴式智能終端設(shè)備的日益增多[14-16],人們?cè)谘邪l(fā)通信設(shè)備的過(guò)程中需要考慮器件在彎曲過(guò)程中的性能變化,從而研究能夠?qū)崿F(xiàn)圓偏振態(tài)調(diào)控的柔性太赫茲波片愈發(fā)必要.

目前,利用傳統(tǒng)天然材料來(lái)實(shí)現(xiàn)太赫茲波的偏振調(diào)控往往面臨著帶寬窄、體積大、不易彎曲變形等缺點(diǎn).超構(gòu)材料具有優(yōu)異的電磁波操縱能力[17-20],能夠克服這些缺點(diǎn).近年來(lái),人們基于超構(gòu)材料已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)太赫茲波偏振態(tài)的寬帶調(diào)控[21-25],特別是基于各向異性超構(gòu)材料或手性超構(gòu)材料實(shí)現(xiàn)了對(duì)太赫茲波圓偏振態(tài)的寬帶調(diào)控[26-28],這為太赫茲波通信技術(shù)的發(fā)展奠定了一定基礎(chǔ)[29].如利用手性的金屬雙螺旋陣列,借助單元結(jié)構(gòu)內(nèi)部共振和周期性的布拉格共振選擇性地透過(guò)沿著螺旋軸方向的圓偏振光,獲得帶寬超過(guò)3 THz 的寬帶圓偏振太赫茲波[26];利用夾在兩層石英介質(zhì)層中的非對(duì)稱各向異性十字槽結(jié)構(gòu),使得沿著正交方向產(chǎn)生兩種非對(duì)稱透射模式,通過(guò)有效地調(diào)節(jié)模式的振幅和相位,在0.894—1.378 THz 范圍產(chǎn)生橢圓率大于0.8 的圓偏振太赫茲波[28].此外,通過(guò)將相變材料、半導(dǎo)體材料、二維材料、液晶等集成到超構(gòu)材料中,人們還實(shí)現(xiàn)了對(duì)太赫茲波圓偏振態(tài)的動(dòng)態(tài)調(diào)控[30-33].然而,這些超構(gòu)材料大都設(shè)計(jì)在剛性襯底上,不能與可穿戴的柔性無(wú)線通信終端設(shè)備兼容,因此人們開(kāi)始考慮基于超構(gòu)材料來(lái)設(shè)計(jì)具有一定彎曲能力的柔性太赫茲圓偏振調(diào)控器件[34,35].如利用兩層金屬線柵和三層柔性聚酰亞胺介電薄膜,通過(guò)多層結(jié)構(gòu)補(bǔ)償相位延遲色散,實(shí)現(xiàn)柔性寬帶太赫茲四分之一波片,在彎曲的情況下該柔性寬帶太赫茲四分之一波片的性能與未彎曲情況相比變化不明顯[34].然而,這些工作只是實(shí)驗(yàn)上展示了彎曲情況下樣品性能,還沒(méi)有從理論上解釋彎曲情況下其偏振轉(zhuǎn)換的物理實(shí)質(zhì).為了給柔性寬帶太赫茲波片的設(shè)計(jì)提供進(jìn)一步的策略,深入探討柔性超構(gòu)材料在彎曲情況下偏振轉(zhuǎn)換的物理原理將是很有意義的.

本文以空間對(duì)稱性破缺的L 型金屬-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)為基本單元構(gòu)造出柔性的太赫茲波片,利用該柔性太赫茲波片實(shí)現(xiàn)寬帶的太赫茲波從線偏振態(tài)到圓偏振態(tài)的轉(zhuǎn)換.基于等效電路模型從理論上給出該柔性太赫茲波片的工作原理,并利用時(shí)域有限差分法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,進(jìn)一步佐證這一結(jié)果.實(shí)驗(yàn)上,制備出基于手性金屬超構(gòu)材料的柔性太赫茲波片,證實(shí)該柔性太赫茲波片在彎曲程度不同的情況下,依然能夠穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)寬帶太赫茲波從線偏振態(tài)到圓偏振態(tài)的轉(zhuǎn)換.

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與理論分析

本文設(shè)計(jì)的樣品以空間對(duì)稱性破缺的L 型金屬-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)為基本單元,如圖1 所示.頂層為太赫茲手性超構(gòu)材料層,由等臂長(zhǎng)L 型金屬結(jié)構(gòu)單元陣列構(gòu)成,L 型結(jié)構(gòu)臂長(zhǎng)為l,寬度為w;中間層為柔性的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯 (polyethylene glycol terephthalate,PET) 介質(zhì)層,厚度為d;底層為足夠厚的金屬反射層.當(dāng)偏振方向沿y軸的線偏振太赫茲波以入射角θ照射到樣品表面時(shí),該樣品將能實(shí)現(xiàn)太赫茲波從線偏振態(tài)到圓偏振態(tài)的高效轉(zhuǎn)換,如圖1(a)所示,其中,xyz坐標(biāo)系統(tǒng)是根據(jù)樣品的幾何結(jié)構(gòu)而建立的,x′y′z′坐標(biāo)系統(tǒng)是根據(jù)出射波方向而建立的,y和y′方向一致且都垂直于xz平面.該結(jié)構(gòu)基于柔性聚合物材料制備,因此適用于彎曲情況下的應(yīng)用場(chǎng)景,如圖1(c)所示.

圖1 柔性寬帶太赫茲波片示意圖 (a) 未彎曲情形;(b) 單元結(jié)構(gòu);(c) 彎曲情形Fig.1.Schematic diagram of flexible broadband terahertz wave plate: (a) Wave plate without bending;(b) element structure;(c) wave plate under bending.

基于等效電路模型,可以解釋這種柔性的太赫茲手性超構(gòu)材料實(shí)現(xiàn)寬帶偏振轉(zhuǎn)換的物理原理.當(dāng)偏振方向沿y軸的線偏振太赫茲波Einc以入射角θ斜入射到L 型金屬結(jié)構(gòu)上,太赫茲波與該手性超構(gòu)材料相互作用,產(chǎn)生一系列電偶極子.對(duì)于每個(gè)單元,用等效電感(L)和電容(C)表示沿x/y方向電偶極子,用C′來(lái)表示兩個(gè)電偶極子之間的耦合.電偶極子共振會(huì)輻射電磁波,因此在電路中還要引入輻射阻抗(Rrad).L 型結(jié)構(gòu)每個(gè)臂長(zhǎng)度為l,施加在結(jié)構(gòu)上的激發(fā)電偶極子共振的電場(chǎng)Eext的分量用表示,則在x和y方向上結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電勢(shì)分別為lEext,x和lEext,y,故沿x和y方向有效電荷Qx和Qy的動(dòng)態(tài)變化滿足如下關(guān)系式[36-38]:

Qx和Qy均包含時(shí)間項(xiàng) e-iωt,由此可以解得

其中,

這里σ=,其中μ0是真空磁導(dǎo)率,c是真空中光速,A是單個(gè)結(jié)構(gòu)單元的面積.結(jié)構(gòu)總的反射場(chǎng)Eref滿足[38]:

激發(fā)電偶極子共振的電場(chǎng)Eext是由入射場(chǎng)Einc和完美反射層的鏡像場(chǎng) (包括入射場(chǎng)Einc的鏡像和L 型結(jié)構(gòu)層輻射場(chǎng)Erad的鏡像)疊加的結(jié)果,它們之間滿足關(guān)系式[38]:

結(jié)合(4)式—(6)式,就能得到結(jié)構(gòu)總的反射場(chǎng)與入射場(chǎng)滿足關(guān)系式:

其中I為單位矩陣.當(dāng)入射角θ較小時(shí),考慮到d?λ,共軛關(guān)系項(xiàng)的絕對(duì)值可以表示為

可以看出當(dāng)d?λ時(shí),的值隨入射角θ變化較小;另外,≈1,也隨入射角變化不大.本文中入射波為偏振方向沿y軸的線偏振太赫茲波,其電場(chǎng)Einc與入射角無(wú)關(guān),根據(jù)(7)式,可以分析出結(jié)構(gòu)的反射場(chǎng)Eref隨著入射角變化基本保持不變.太赫茲波以各種入射角照射到未彎曲樣品的效果疊加,可以等效為太赫茲波與彎曲型樣品的相互作用,因此能夠說(shuō)明彎曲型樣品的反射場(chǎng)隨著入射角變化也將基本保持不變.上述分析結(jié)果從理論上解釋了該柔性超構(gòu)材料在彎曲情況下偏振轉(zhuǎn)換穩(wěn)定性的來(lái)源.

為了進(jìn)一步驗(yàn)證這種柔性太赫茲波片在不同入射角下的偏振轉(zhuǎn)換的寬帶特性和穩(wěn)定性,利用FDTD Solutions 仿真軟件對(duì)樣品在線偏振太赫茲波以不同入射角照射下的情況進(jìn)行模擬.設(shè)L 型結(jié)構(gòu)單元厚度為50 nm,單元陣列沿x和y方向的周期均為165 μm,l=125 μm,w=35 μm,L 型結(jié)構(gòu)中金屬參數(shù)設(shè)為完美電導(dǎo)體(perfect electric conductor,PEC),因?yàn)槠鋼p耗在此波段幾乎可以忽略;PET 介質(zhì)層厚度為38 μm,折射率設(shè)為1.7,該厚度下的PET 介質(zhì)層損耗對(duì)出射信號(hào)的影響很小,可以忽略.圖2(a)和圖2(b)給出了線偏振太赫茲波以不同角度入射時(shí)在結(jié)構(gòu)上方0.5 μm 處的電場(chǎng)分量Ez的強(qiáng)度和相位的分布.可以看出Ez強(qiáng)度的分布基本不隨入射角度的改變而改變,并且L 型結(jié)構(gòu)兩端電場(chǎng)Ez的相位始終保持有0.5π 左右的差值,因此出射波在較寬的入射角范圍內(nèi)均保持為圓偏振光.分別計(jì)算了輻射場(chǎng)項(xiàng)|Erad|和共軛關(guān)系項(xiàng)在不同入射角下隨頻率的色散關(guān)系,如圖2(c)所示,計(jì)算結(jié)果表明在0.46—0.62 THz 范圍內(nèi),輻射場(chǎng)項(xiàng)|Erad|在不同入射角下都隨著頻率的增加而降低,而共軛關(guān)系項(xiàng)在不同入射角下都隨著頻率的增加而增加,因此根據(jù)(5)式,兩項(xiàng)的色散在一定程度上可以互相抵消,從而實(shí)現(xiàn)寬帶的偏振轉(zhuǎn)換.另外還計(jì)算了線偏振太赫茲波以不同入射角照射到該結(jié)構(gòu)上時(shí)得到的y′和x′方向電場(chǎng)分量的振幅比值 |Ey′|/|Ex′|,如圖2(d)所示,寬帶偏振轉(zhuǎn)換效應(yīng)發(fā)生在兩共振模式之間振幅比值較平緩變化的頻率區(qū)間.此外,該入射角度不敏感的特性與結(jié)構(gòu)中的共振沒(méi)有直接的關(guān)聯(lián),這意味著這種入射角度不敏感性也可以拓展到其他結(jié)構(gòu)中.

圖2 寬帶偏振轉(zhuǎn)換物理原理的計(jì)算驗(yàn)證 (a),(b) 入射光頻率為0.55 THz 時(shí),不同入射角下計(jì)算的結(jié)構(gòu)上方0.5 μm 處Ez 分量的(a)強(qiáng)度分布圖和(b)相位分布圖;(c) 計(jì)算的不同入射角度下的輻射場(chǎng)項(xiàng) |Erad| 和共軛關(guān)系項(xiàng)隨頻率的變化;(d) 計(jì)算的不同入射角度下 |Ey′|/|Ex′| 隨頻率的變化Fig.2.Theoretical verification of the physical principle of broadband polarization conversion: Calculated (a) intensity distribution maps and (b) phase distribution diagrams of Ez component at 0.5 μm above the structure at 0.55 THz with incident angles of 15°,30°,45°,60°;(c) calculated radiation field term |Erad| and the conjugate term at different incident angles and frequencies;(d) calculated |Ey′|/|Ex′| with different incident angles and frequencies.

進(jìn)一步地,計(jì)算了線偏振太赫茲波以不同入射角照射到該結(jié)構(gòu)上時(shí)得到的y′和x′方向電場(chǎng)分量間的振幅比值|Ey′|/|Ex′|和相位差φy′—φx′,如圖3(a)—圖3(d)所示.從計(jì)算結(jié)果可以看出,當(dāng)入射角小于60°時(shí),振幅比值|Ey′|/|Ex′|變化不明顯.即使在入射角為60°時(shí),在0.46—0.62 THz 范圍內(nèi),最大振幅比值 |Ey′|/|Ex′|也不超過(guò)1.32,并且相位差φy′—φx′基本保持在—0.5π.這說(shuō)明在較寬的入射角度變化范圍內(nèi),y′和x′方向電場(chǎng)分量的振幅比值和相位差都具有很好的寬帶特性,也就是說(shuō),實(shí)現(xiàn)了在寬入射角范圍內(nèi)太赫茲波從線偏振態(tài)到圓偏振態(tài)的寬帶轉(zhuǎn)換,進(jìn)一步證實(shí)了這種柔性寬帶太赫茲波片在彎曲時(shí)也能保持較好的偏振轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定性.

圖3 彎曲情況下出射波偏振轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定性 (a),(b) 計(jì)算的在不同入射角度下的(a) |Ey′|/|Ex′|和(b) φy′—φx′;(c),(d) 計(jì)算的(c) |Ey′|/|Ex′|和(d) φy′— φx′隨入射角和頻率的變化關(guān)系Fig.3.Stability analysis on output polarization states of terahertz waves under bending: Calculated (a) |Ey′|/|Ex′| and (b) φy′— φx′at some different incident angles;calculated (c) |Ey′|/|Ex′| and (d) φy′— φx′ at different incident angles and frequencies.

為了研究L 型金屬結(jié)構(gòu)的尺寸對(duì)偏振態(tài)調(diào)控的影響,固定其他參數(shù)不變,分別計(jì)算了線偏振太赫茲波以45°入射角照射到不同臂長(zhǎng)l和寬度w的結(jié)構(gòu)時(shí),出射信號(hào)中沿y′和x′方向電場(chǎng)分量的振幅比值|Ey′|/|Ex′|和相位差φy′—φx′,如圖4 所示.改變結(jié)構(gòu)臂長(zhǎng)l將會(huì)明顯改變共振所在的頻率,從而可以調(diào)整波片的工作區(qū)間,如圖4(a)和圖4(b)所示,不同頻率點(diǎn)處電場(chǎng)分量的振幅比值會(huì)受到結(jié)構(gòu)臂長(zhǎng)的影響,但電場(chǎng)分量的相位差值受到的影響很小.如圖4(c)和圖4(d)所示,改變結(jié)構(gòu)寬度w對(duì)波片的性能影響則相對(duì)較小.因此,實(shí)驗(yàn)上制備樣品時(shí)需要注意其結(jié)構(gòu)尺寸,尤其是L 型結(jié)構(gòu)臂長(zhǎng),以此減小實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論設(shè)計(jì)之間的誤差.

圖4 L 型金屬結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)偏振調(diào)控的影響 (a),(b) 計(jì)算的在不同L 型結(jié)構(gòu)臂長(zhǎng)l 下的(a) |Ey′|/|Ex′|和(b) φy′ — φx′;(c),(d) 計(jì)算的在不同L 型結(jié)構(gòu)寬度w 下的(c) |Ey′|/|Ex′|和(d) φy′ — φx′Fig.4.Effect of L-shaped structure size on polarization control: Calculated (a) |Ey′|/|Ex′| and (b) φy′ — φx′ with different l;calculated (c) |Ey′|/|Ex′| and (d) φy′ — φx′ with different w.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)上通過(guò)光刻等微加工技術(shù)來(lái)制備樣品.首先準(zhǔn)備了損耗幾乎可以忽略的38 μm 厚的商用PET薄膜,然后經(jīng)歷勻膠、光刻、顯影、鍍膜、除膠等一系列過(guò)程,在PET 薄膜上表面制備出厚度為50 nm金的L 型結(jié)構(gòu)單元陣列,該陣列沿x和y方向的周期均為165 μm,單元結(jié)構(gòu)中l(wèi)=125 μm,w=35 μm;隨后在該P(yáng)ET 薄膜背面鍍上100 nm 厚的金膜作為完美反射層,樣品的光學(xué)照片如圖5(a)所示.利用太赫茲時(shí)域光譜儀對(duì)樣品的光譜和偏振特性進(jìn)行測(cè)量,裝置圖如圖5(b)所示,借助反射鏡使得太赫茲波以45°斜入射到樣品表面,然后探測(cè)其反射波.

由于本實(shí)驗(yàn)中太赫茲時(shí)域光譜儀的探測(cè)天線只能探測(cè)y′方向的太赫茲波信號(hào),因此需要在探測(cè)天線前放置一個(gè)額外的線偏振片,經(jīng)過(guò)兩次測(cè)量來(lái)提取x′方向電場(chǎng)的時(shí)域信號(hào),以此得到完整的出射波偏振信息.其原理如下,線偏振片傳輸矩陣為,出射波表示為.如當(dāng)電磁波經(jīng)過(guò)透光軸與y′軸夾角α為45°和—45°的線偏振片時(shí),瓊斯矩陣可分別表示為

首先測(cè)量樣品未彎曲時(shí)的偏振轉(zhuǎn)換性能.圖5(c)和圖5(d)分別給出了樣品未彎曲時(shí)線偏振片透光軸放置在相對(duì)y′軸45°和—45°時(shí)測(cè)得的時(shí)域譜.圖5(e)和圖5(f)給出了根據(jù)圖5(c)和圖5(d)的時(shí)域譜數(shù)據(jù)提取出的y′和x′方向電場(chǎng)分量隨頻率變化的振幅比值|Ey′|/|Ex′|和相位差φy′—φx′,可以看到,在0.46—0.62 THz 范圍內(nèi),|Ey′|/|Ex′|基本保持在1 附近,φy′—φx′基本保持在—0.5π,表明出射的太赫茲波為右旋圓偏振態(tài),從而可以說(shuō)明樣品實(shí)現(xiàn)了太赫茲波從線偏振態(tài)到圓偏振態(tài)的轉(zhuǎn)換.利用FDTD Solutions 軟件對(duì)該結(jié)構(gòu)的特性進(jìn)行仿真模擬,得到的y′和x′方向電場(chǎng)分量隨頻率變化的振幅比值和相位差信息如圖5(g)和圖5(h)所示,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本符合.需要說(shuō)明的是,由于該樣品的偏振轉(zhuǎn)換性能非常依賴結(jié)構(gòu)參數(shù)(如圖4),因此實(shí)驗(yàn)制備中微小的誤差都可能帶來(lái)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論設(shè)計(jì)的較大差異,從而需要很精確地制備樣品.

圖5 未彎曲時(shí)柔性太赫茲波片出射波偏振態(tài)的實(shí)驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果 (a) 樣品光學(xué)照片(白標(biāo)尺為100 μm);(b) 太赫茲時(shí)域光譜儀測(cè)量原理圖;線偏振片透光軸相對(duì)y′ 軸 (c) 45°和 (d) —45°時(shí)測(cè)得的電場(chǎng)時(shí)域譜;實(shí)驗(yàn)測(cè)得的隨頻率變化的(e) |Ey′|/|Ex′|和(f) φy′ —φx′;計(jì)算的隨頻率變化的(g) |Ey′|/|Ex′|和(h) φy′ — φx′Fig.5.Measured and calculated polarization states of output waves of wave plate without bending: (a) Optical photograph of sample,white scale bar is 100 μm;(b) schematic diagram of terahertz time-domain spectrometer;the time-domain spectrum of electric field measured with transmission axis of linear polarizer relative to y′ axis (c) 45° and (d) —45°;measured (e) |Ey′|/|Ex′| and (f) φy′ —φx′ as a function of frequency;calculated (g) |Ey′|/|Ex′| and (h) φy′ — φx′ as a function of frequency.

接下來(lái)測(cè)量樣品在不同彎曲程度下的偏振轉(zhuǎn)換性能.圖6(a)給出了不同彎曲程度下樣品的照片,可以看到樣品的柔韌性非常好,幾乎可以實(shí)現(xiàn)任意彎曲.為了表述方便,如圖6(b)所示,用曲率半徑r來(lái)表示樣品的彎曲程度,曲率半徑r與相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系式為h=r-rcos[s/(2r)],其中弧長(zhǎng)s為樣品的總長(zhǎng)度,h為弧高.實(shí)驗(yàn)中測(cè)量了樣品曲率半徑r分別為0.71,0.36,0.24,0.18,0.14 m時(shí)出射太赫茲波的偏振態(tài),圖6(c)—圖6(g)是利用太赫茲時(shí)域光譜儀直接測(cè)得的時(shí)域譜,其中橙色和黃色實(shí)線分別表示偏振片透光軸沿著與y′軸呈45°和—45°夾角的方向時(shí)的時(shí)域譜,黑色虛線表示參考信號(hào)的時(shí)域譜,即沒(méi)有放置樣品和線偏振片時(shí)測(cè)得的時(shí)域譜.可以看出,測(cè)量得到的時(shí)域信號(hào)強(qiáng)度隨著樣品的彎曲程度變大(即樣品的曲率半徑減小)而逐漸降低.樣品的時(shí)域信號(hào)峰值和參考信號(hào)峰值之間的相對(duì)位置偏移逐漸變大,說(shuō)明樣品的時(shí)域信號(hào)與參考信號(hào)之間的光程差逐漸變大,也表明了樣品彎曲程度在逐漸變大.

圖6 不同彎曲程度下的太赫茲波時(shí)域譜測(cè)量結(jié)果 (a) 不同彎曲程度下拍攝的樣品照片;(b) 曲率半徑與相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系式示意圖;不同曲率半徑下測(cè)量的太赫茲時(shí)域譜,其中(c) r=0.71 m,(d) r=0.36 m,(e) r=0.24 m,(f) r=0.18 m,(g) r=0.14 mFig.6.Measured time domain results at different bending states: (a) Photographs at different bending states;(b) schematic diagram of the relationship between the radius of curvature and relevant structural parameters;the measured time-domain spectra under different curvature radius of (c) r=0.71 m,(d) r=0.36 m,(e) r=0.24 m,(f) r=0.18 m,(g) r=0.14 m.

將測(cè)量得到的樣品時(shí)域信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換,可以得到樣品在不同曲率半徑下出射波y′和x′方向電場(chǎng)分量振幅比值|Ey′|/|Ex′| 隨頻率的變化關(guān)系.圖7(a)—圖7(e)分別給出了樣品在曲率半徑為r=0.71 m,r=0.36 m,r=0.24 m,r=0.18 m,r=0.14 m 的情況下,出射波沿y′和x′方向的電場(chǎng)分量振幅比值 |Ey′|/|Ex′|隨頻率的變化關(guān)系,可以看到在0.46—0.62 THz 范圍內(nèi),|Ey′|/|Ex′| 基本維持在1 附近.圖7(f)給出了在0.54 THz 處電場(chǎng)分量振幅比值|Ey′|/|Ex′|隨曲率半徑的變化關(guān)系,可以看到|Ey′|/|Ex′|基本不變,說(shuō)明樣品在彎曲過(guò)程中電場(chǎng)分量的振幅比值保持穩(wěn)定.

除了獲得前文中電場(chǎng)分量振幅之外,還可以得到樣品以不同曲率半徑彎曲時(shí)出射波在y′和x′方向電場(chǎng)分量相位差φy′—φx′隨頻率的變化關(guān)系.圖8(a)—圖8(e)分別給出了樣品在曲率半徑為r=0.71 m,r=0.36 m,r=0.24 m,r=0.18 m,r=0.14 m 的情況下,出射波沿y′和x′方向的電場(chǎng)分量相位差φy′—φx′隨頻率的變化,可以看到在0.46—0.62 THz 范圍內(nèi),y′和x′方向的電場(chǎng)分量相位差基本維持在—0.5π 附近.圖8(f)給出了在0.54 THz處y′和x′方向的電場(chǎng)分量相位差φy′—φx′隨曲率半徑的變化,可以看到y(tǒng)′和x′方向的電場(chǎng)分量相位差基本不變,證明電場(chǎng)分量相位差在樣品彎曲過(guò)程中保持了較好的穩(wěn)定性;再結(jié)合圖7(f)中y′和x′方向的電場(chǎng)分量振幅比值基本維持在1 附近的穩(wěn)定性結(jié)果,可以清晰地表明樣品在彎曲情況下仍然能夠保持出射波為右旋圓偏振態(tài).該右旋圓偏振態(tài)的太赫茲波再次通過(guò)一個(gè)45°斜入射的反射鏡,也可以產(chǎn)生具有左旋圓偏振態(tài)的太赫茲波.

圖7 (a)—(e) 不同曲率半徑下測(cè)量到的|Ey′|/|Ex′|,其中(a) r=0.71 m,(b) r=0.36 m,(c) r=0.24 m,(d) r=0.18 m,(e) r=0.14 m;(f) 在0.54 THz 處|Ey′|/|Ex′| 隨彎曲曲率半徑的變化關(guān)系Fig.7.Measured |Ey′|/|Ex′| under different curvature radius: (a) r=0.71 m;(b) r=0.36 m;(c) r=0.24 m;(d) r=0.18 m;(e) r=0.14 m.(f) Relationship between |Ey′|/|Ex′| and curvature radius at 0.54 THz.

圖8 不同曲率半徑下測(cè)量到的 φy′ — φx′,其中(a) r=0.71 m,(b) r=0.36 m,(c) r=0.24 m,(d) r=0.18 m,(e) r=0.14 m;(f) 在0.54 THz 處 φy′ — φx′ 隨彎曲曲率半徑的變化關(guān)系Fig.8.Measured φy′ — φx′ under different curvature radius: (a) r=0.71 m;(b) r=0.36 m;(c) r=0.24 m;(d) r=0.18 m;(e) r=0.14 m.(f) Relationship between φy′ — φx′ and curvature radius at 0.54 THz.

4 結(jié)論

本文基于柔性超構(gòu)材料實(shí)現(xiàn)了對(duì)太赫茲波偏振態(tài)的寬帶調(diào)控.首先,以空間對(duì)稱性破缺的L 型金屬-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)為基本單元,構(gòu)造出手性的太赫茲超構(gòu)材料,并且基于等效電路模型從理論上給出了該太赫茲手性超構(gòu)材料實(shí)現(xiàn)寬帶偏振調(diào)控的原理.進(jìn)一步地,發(fā)現(xiàn)在入射角θ小于 60°的情況下出射波的圓偏振性能對(duì)入射角基本不敏感.考慮到太赫茲波與彎曲型樣品的相互作用可以等效為太赫茲波以各種不同入射角同時(shí)照射到未彎曲的樣品上,通過(guò)疊加不同入射角情況下的出射信號(hào)得到了彎曲型樣品的總出射電磁場(chǎng),最終給出了該柔性樣品在彎曲情況下的工作原理.最后,以柔性聚合物為介質(zhì)層,利用光刻等微加工技術(shù)制備出基于手性金屬超構(gòu)材料的柔性太赫茲波片,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明線偏振太赫茲波通過(guò)彎曲程度不同的柔性樣品,在0.46—0.62 THz 的頻率范圍內(nèi)出射波在兩個(gè)正交方向上的電場(chǎng)分量振幅比值基本維持在1,相位差始終維持在—0.5π,實(shí)現(xiàn)了太赫茲波從線偏振態(tài)到圓偏振態(tài)的寬帶轉(zhuǎn)換,并且出射波的圓偏振性能基本不受樣品彎曲的影響.這種能夠精準(zhǔn)控制圓偏振特性的柔性超構(gòu)材料將有望應(yīng)用于6G 通信的可穿戴設(shè)備以及分子探測(cè)等領(lǐng)域.