基于超表面动态调控太赫兹表面波的波前调控器件及其应用方法

本发明涉及电磁波波前调控器件，具体涉及基于超表面动态调控太赫兹表面波的波前调控器件及其应用方法。

背景技术：

1、电磁波可分为自由空间传播的传输波和介质表面传播的表面波，太赫兹波是一种频率范围在0.1thz-10thz电磁波，它处于微波和红外线之间，可视为宏观经典理论与微观量子理论之间或电子领域向光子领域之间的过渡区域。表面波是一种特殊的电磁波，在两种不同介质材料界面处传播，以横磁(transverse magnetic,tm)模式方式存在，其电场沿着垂直于界面的方向，并且随距离呈指数衰减。因此，表面波的波长小于自由空间中传输波的波长，同时波矢在界面法向方向上是虚数，导致其沿着界面传播方向(切向)的波矢大于传输波的波矢，所以传输波和表面波无法直接耦合。传统的耦合方法需借助光栅或棱镜等光学元件才能进行耦合，导致其存在模式多、效率低、体积大和集成困难等问题，使得在太赫兹领域内对于表面波的研究较少。

2、超表面是一种人工二维超材料结构(由具有人工定制光学响应的平面亚波长微结构组成的超薄超材料)。近年来，超表面对电磁波显示出了强大的操作能力，通过调整亚波长单元结构的几何形状、材料组成和排列方式，超表面可以操纵太赫兹波的相位、幅度和极化方式。由于其亚波长厚度的独特性和较强的波前控制能力，超表面显示出许多潜在的应用前景，如在聚焦光束、airy光束、bessel光束、全息成像、涡旋发生器等众多领域都有潜在应用。

3、相位梯度超表面一种对电磁波的相位响应具有梯度分布的超表面，通过所设计的相位梯度，为入射波(传播波)提供一个额外的波矢，可把入射的圆极化波转换成表面波，形成了产生表面波的激发区域，并通过将激发区域相与适配的本征区域拼接，可把表面波引导到本征区域进行表面传播。

4、对于相位梯度超表面的相位调控，传输相位通过该改变单元结构的几何尺寸大小，使其单元的幅度相应和相位相应均随着几何尺寸的变化而规律性地改变来实现对相位调控；

5、几何相位又被称为pancharatnam-berry(pb)相位，通过旋转结构单元的方向来实现相位调控原理，几何相位突变量仅与单元自身旋转角度相关，而与单元的结构结构形状与材料散射特性无关。然而，传统的相位梯度超表面的单元结构通常是由金属结构构成，单元结构一旦制备完成，其相位、幅度等电磁参数不能灵活调控，导致相位梯度超表面未能动态调控太赫兹表面波波前，从而限制太赫兹表面波及其动态波前调控器件的应用范围和领域。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决上述技术问题，而提供基于超表面动态调控太赫兹表面波的波前调控器件及其应用方法。

2、基于超表面动态调控太赫兹表面波的波前调控器件，包括激发区域和两个本征区域；所述的激发区域设置在中间，所述的两个本征区域设置在激发区域的两侧；

3、所述的激发区域由若干个沿x轴方向和沿y轴方向进行排列的激发区域子单元组成，所述的激发区域子单元包括依次层叠设置的金属微结构和/或相变材料、介质层和金属衬底，激发区域子单元为单元结构-1或单元结构-2；所述的单元结构-1的顶层由金属c-形开口环与相变材料弧段拼接而成，两个相变材料弧段分别位于金属c-形开口环的两端且两个相变材料弧段之间留有空隙，金属c-形开口环的圆心与介质层表面的几何中心重合；所述的单元结构-2的顶层是基于相变材料组成的c-形开口环；

4、沿x轴方向，是将若干个几何尺寸一样的具有单元结构-1或单元结构-2的激发区域子单元以c-形开口环的圆心为中心依次顺时针旋转同一角度以第一个单元结构为基准，第二个单元旋转的角度为第三个单元旋转的角度为…，第n个单元旋转的角度为(n-1)n为沿x轴方向的激发区域子单元个数；沿y轴方向，是将若干个具有不同c-形开口环角度的单元结构-1或单元结构-2的激发区域子单元沿y轴方向进行排列；

5、所述的本征区域由若干个本征区域子单元沿x轴方向和沿y轴方向进行排列得到；所述的本征区域子单元(称为单元结构-3)包括层叠设置的介质层和金属衬底，所述金属衬底的中心开设有圆孔，所述圆孔的直径为所述本征区域子单元周期长度的0.5倍。

6、基于超表面动态调控太赫兹表面波的波前调控器件的应用方法，按以下步骤完成：

7、步骤s1：利用表面聚焦光束相位公式计算得到表面焦点距离分别为4000μm和2000μm的表面聚焦光束的相位a；利用表面聚焦光束和表面贝塞尔光束的相位公式计算得到表面焦点距离为2800μm的表面聚焦光束和表面贝塞尔光束的相位b；利用表面艾里光束相位公式计算得到表面艾里光束的相位，同时并将表面艾里光束的相位沿y方向对称排布，从而得到表面聚焦艾里光束和表面艾里光束的相位c；

8、步骤s2：根据步骤s1中计算得到的相位a、相位b和相位c的分布结果，将具有不同开口角度的单元结构-1和单元结构2的三组相位进行排列，得到三种不同的激发区域，再将本征区域分别拼接在得到的激发区域的两侧，得到三个基于超表面动态调控太赫兹表面波的波前调控器件；

9、步骤s3：将不同手性的圆极化波，分别照射在步骤s2中得到的三个基于超表面动态调控太赫兹表面波的波前调控器件的激发区域，入射的右旋圆极化波会在右侧本征区域产生表面波，入射的左旋圆极化波会在左侧本征区域产生表面波；根据vo2在金属态下工作和绝缘态下不工作的特性，第一个超表面实现vo2金属态表面焦点距离4000μm和绝缘态表面焦点距离2000μm的动态调控的表面聚焦光束，第二个超表面实现在vo2金属态下为表面焦点距离2800μm的聚焦光束和绝缘态下为数值孔径0.38的表面贝塞尔光束的动态调控，第三个超表面实现vo2金属态下表面自动聚焦艾里光束和绝缘态下表面艾里光束的动态调控。

10、本发明的有益效果：

11、本发明基于超表面动态调控太赫兹表面波的波前控制器，将几何相位与传输相位结合在一起，通过几何相位，为入射波提供一个额外的相位，可将入射的不同手性的圆极化波转化成不同传输方向的表面波，实现表面波的高效激发；通过传输相位结合相变材料vo2，来实现表面波的动态波前调控。

12、本发明的一种基于超表面动态调控太赫兹表面波的波前控制器，实现改变入射光的手性，实现不同方向的表面波的激发。所设计的器件工作频率在0.43thz，实现了不同焦点距离的表面聚焦光束的动态切换；表面聚焦光束和表面贝塞尔光束的动态切换；表面艾里光束和表面自动聚焦艾里光束的动态切换。并且通过特殊的设计，对激发区域的单元结构和本征区域单元结构进行设计，可以在其他频率进行工作。

13、本发明将表面波的激发和波前调控合二为一，并结合相变材料，实现对表面波的波前动态调控，实现了高效率、功能集成、系统简单以及波前独立动态可调等许多优点。这种技术在基于芯片上的近场调控应用中具有巨大的潜力。

14、本发明旨在结合电磁超表面和相变材料，以实现对入射的圆极化波将其转化为表面波并对波前进行动态调控。与以往的表面波调控器件相比，本发明提出的解决方案具有以下优势：亚波长级别的调控能力、高效率、高集成度以及可进行动态切换等特点。

15、本发明可获得基于超表面动态调控太赫兹表面波的波前调控器件及其应用方法。