本發(fā)明涉及太赫茲器件及石墨烯技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于石墨烯的頻率可調(diào)諧的寬帶圓極化轉(zhuǎn)換器。

背景技術(shù)：

電磁波的極化在實(shí)際應(yīng)用中起到十分重要的作用，這種特性被用于thz成像、thz傳感等?；诔砻娴男滦蜆O化轉(zhuǎn)換器件具有重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、損耗低等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。然而該類(lèi)器件中的超表面是由金屬材料構(gòu)建，由此設(shè)計(jì)的極化轉(zhuǎn)換器件功能單一，工作頻率不具備可調(diào)諧特性，必須通過(guò)修改超表面的幾何結(jié)構(gòu)形狀和參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，才能夠調(diào)諧器件的極化轉(zhuǎn)換功能和工作頻率，極大限制了器件的應(yīng)用。此外，現(xiàn)有基于超材料的反射型極化轉(zhuǎn)換器的地板為金屬，它對(duì)反射電磁波引入固定的180°附加相位，當(dāng)調(diào)諧器件的工作頻率時(shí)，由于金屬地板只能提供固定附加相位，這使得在超表面的干涉條件被破壞，從而影響器件的工作性能，因此器件的調(diào)諧帶寬受限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的是現(xiàn)有極化轉(zhuǎn)換器的工作頻率不具備可調(diào)諧特性的問(wèn)題，提供一種基于石墨烯的頻率可調(diào)諧的寬帶圓極化轉(zhuǎn)換器，其具有寬帶和頻率可調(diào)諧的特性。

為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種基于石墨烯的頻率可調(diào)諧的寬帶圓極化轉(zhuǎn)換器，包括寬帶圓極化轉(zhuǎn)換器本體，該寬帶圓極化轉(zhuǎn)換器本體由介質(zhì)基底層、設(shè)置在介質(zhì)基底層上表面的石墨烯超表面層、以及設(shè)置在介質(zhì)基底層下表面的石墨烯地板層組成；石墨烯超表面層為單層鏤空的石墨烯片，即在該層石墨烯片上開(kāi)設(shè)有多個(gè)呈矩陣排列的蝶形孔，每個(gè)蝶形孔均是由2個(gè)大小一致的等腰三角形孔通過(guò)頂角相對(duì)或相疊設(shè)置所形成的軸對(duì)稱(chēng)圖形；石墨烯地板層由多層具有相同性能參數(shù)的石墨烯片堆疊而成；在石墨烯超表面層和介質(zhì)基底層之間施加偏置電壓v1和/或在石墨烯地板層和介質(zhì)基底層之間施加偏置電壓v2，并通過(guò)施加不同的偏置電壓v1和/或偏置電壓v2來(lái)調(diào)節(jié)石墨烯超表面層的費(fèi)米能級(jí)ef1和/或石墨烯地板層的費(fèi)米能級(jí)ef2，從而實(shí)現(xiàn)寬帶圓極化轉(zhuǎn)換器本體的寬帶和頻率的動(dòng)態(tài)可調(diào)諧。

上述方案中，每個(gè)蝶形孔既關(guān)于橫軸即x軸對(duì)稱(chēng)，又關(guān)于縱軸即y軸對(duì)稱(chēng)。

上述方案中，石墨烯超表面層和石墨烯地板層的每層石墨烯片的厚度為0.335nm～1nm。

上述方案中，石墨烯超表面層通過(guò)化學(xué)沉淀法附著于介質(zhì)基底層的上表面。

上述方案中，石墨烯地板層通過(guò)隨機(jī)堆疊法附著于介質(zhì)基底層的下表面。

上述方案中，介質(zhì)基底層為硅片。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)勢(shì)：

1、基于石墨烯超表面實(shí)現(xiàn)工作頻率調(diào)諧，并且石墨烯超表面采用互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，單元之間的石墨烯表面相連接，方便偏置電壓的施加；

2、采用多層石墨烯片代替金屬地板，不僅對(duì)電磁波有較高的反射作用，并且可以動(dòng)態(tài)調(diào)諧反射電磁波的相位，使其在寬頻帶范圍內(nèi)滿(mǎn)足超表面處的電磁波干涉條件，解決了普通器件調(diào)諧帶寬窄的問(wèn)題；

3、通過(guò)調(diào)節(jié)石墨烯的費(fèi)米能級(jí)，該極化轉(zhuǎn)換器在0.46-0.9thz實(shí)現(xiàn)了線極化波-圓極化波的轉(zhuǎn)換，在此頻率范圍內(nèi)圓極化軸比均小于3db，有較好的圓極化性能。

附圖說(shuō)明

圖1為基于石墨烯的頻率可調(diào)諧的寬帶圓極化轉(zhuǎn)換器的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為基于石墨烯的頻率可調(diào)諧的寬帶圓極化轉(zhuǎn)換器的石墨烯超表面單元放大結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為基于石墨烯的頻率可調(diào)諧的寬帶圓極化轉(zhuǎn)換器的石墨烯偏壓v1和v2加載方式示意圖。

圖4為當(dāng)上層石墨烯費(fèi)米能級(jí)ef1＝0.4ev，底層多層石墨烯費(fèi)米能級(jí)ef2＝0.4ev時(shí)，本發(fā)明的u極化方向電磁波入射后的反射系數(shù)曲線圖。

圖5為調(diào)節(jié)石墨烯費(fèi)米能級(jí)ef1，ef2得到的圓極化軸比調(diào)諧帶寬曲線圖。

圖中標(biāo)號(hào)：1-1、石墨烯超表面層；1-2、介質(zhì)基底層；1-3、石墨烯地板層。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。需要說(shuō)明的是，實(shí)例中提到的方向用語(yǔ)，例如“上”、“下”、“中”、“左”“右”、“前”、“后”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向僅是用來(lái)說(shuō)明并非用來(lái)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

一種基于石墨烯的頻率可調(diào)諧的寬帶圓極化轉(zhuǎn)換器，如圖1所示，包括寬帶圓極化轉(zhuǎn)換器本體，該寬帶圓極化轉(zhuǎn)換器本體由介質(zhì)基底層1-2、設(shè)置在介質(zhì)基底層1-2上表面的石墨烯超表面層1-1、以及設(shè)置在介質(zhì)基底層1-2下表面的石墨烯地板層1-3組成。

石墨烯超表面層1-1為單層鏤空的石墨烯片，如圖2所示，即在該層石墨烯片上開(kāi)設(shè)有多個(gè)呈矩陣排列的蝶形孔。在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，蝶形孔在石墨烯片上沿著x和y方向等數(shù)量重復(fù)排列得到的，排列個(gè)數(shù)為25個(gè)以上。上述每個(gè)蝶形孔由2個(gè)大小一致的等腰三角形孔相對(duì)設(shè)置而成。在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，每個(gè)蝶形孔的長(zhǎng)px為33um，寬py為35um。這2個(gè)等腰三角形孔的頂角既可以直接相對(duì)，此時(shí)圖2中g(shù)的距離為0；又可以相疊，此時(shí)圖2中g(shù)的距離大于0。在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，2個(gè)等腰三角形孔的頂角相疊設(shè)置，且圖2中g(shù)的距離為2um。由于每個(gè)蝶形孔是有2個(gè)大小一致的等腰三角形孔相對(duì)設(shè)置而成，因此每個(gè)蝶形孔既關(guān)于石墨烯超表面層1-1表面的橫軸即x軸對(duì)稱(chēng)，又關(guān)于石墨烯超表面層1-1表面的縱軸即y軸對(duì)稱(chēng)。在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，石墨烯超表面層1-1通過(guò)化學(xué)沉淀法附著于介質(zhì)基底層1-2的上表面。

石墨烯地板層1-3由多層具有相同的性能參數(shù)的石墨烯片堆疊而成。由于多層堆疊的石墨烯具有較高的電導(dǎo)率，能夠?qū)﹄姶挪óa(chǎn)生較大反射。在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，石墨烯地板層1-3通過(guò)隨機(jī)堆疊法附著于介質(zhì)基底層1-2的下表面。本發(fā)明不同于傳統(tǒng)以金屬為地板的反射型極化器，它的反射地板是采用的多層石墨烯結(jié)構(gòu)。當(dāng)用多層石墨烯地板代替金屬地板，由石墨烯反射電磁波的附加相位不再固定在180°，而是受石墨烯的偏置電壓調(diào)控，最大的調(diào)控范圍從-79°到119°。因此，即使我們改變器件的工作頻率，由于多層石墨烯片對(duì)反射波的相位調(diào)控特性，反射波在超表面的干涉條件仍然能夠滿(mǎn)足，從而大幅度提高了器件工作頻率的調(diào)諧帶寬，相對(duì)帶寬達(dá)到64.7％。

在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中，介質(zhì)基底層1-2為硅片，其相對(duì)介電常數(shù)為11.9。石墨烯超表面層1-1和石墨烯地板層1-3的每層石墨烯片的厚度為0.335nm～1nm。本發(fā)明類(lèi)似于法布里諧振腔的結(jié)構(gòu)。線極化波入射經(jīng)極化器反射成圓極化波是由于上層石墨烯超表面對(duì)電磁波的諧振和類(lèi)法布里諧振腔對(duì)電磁波的諧振共同作用引起電磁波幅度和相位的變化，形成圓極化波。

為了深入了解該極化轉(zhuǎn)換器的調(diào)諧過(guò)程，我們運(yùn)用干涉理論去分析其物理機(jī)理。當(dāng)線極化波u，入射器件時(shí)，由于石墨烯超表面的各向異性，表面會(huì)產(chǎn)生反射和透射的交叉極化分量和共極化分量。透射電磁波的交叉極化分量和共極化分量進(jìn)入介質(zhì)，經(jīng)過(guò)地板反射，再次到達(dá)石墨烯超表面，此時(shí)各個(gè)分量的電磁波會(huì)在超表面發(fā)生干涉。在電磁波干涉作用下，出射電磁波最終的極化狀態(tài)取決于共極化分量和交叉極化分量的幅度和相位。而交叉極化分量和共極化分量的電磁波在介質(zhì)中傳播一個(gè)來(lái)回(從超表面到地板再返回超表面)所獲得的傳播相位如下：

其中，λ0是傳輸?shù)碾姶挪ǖ牟ㄩL(zhǎng)，nsi和h介質(zhì)的折射率和厚度，θ是地板反射電磁波引起的附加相位。當(dāng)傳播相位合適，則會(huì)在超表面上產(chǎn)生建設(shè)性的干涉條件，具體在本發(fā)明中體現(xiàn)為干涉得到的電磁波極化狀態(tài)為圓極化。反之，就會(huì)在超表面產(chǎn)生破環(huán)型的干涉條件，惡化器件性能。

對(duì)于其他石墨烯超表面的調(diào)諧器件，其地板為金屬，則地板反射電磁波引起的附加相位θ是固定的為180°。當(dāng)電磁波波長(zhǎng)變化時(shí)，nsi，h和θ都不變，則本來(lái)滿(mǎn)足干涉條件下的就會(huì)被打破，從而使得這種類(lèi)型的器件無(wú)法獲得一個(gè)比較寬的頻率調(diào)諧范圍。但在本發(fā)明中由石墨烯地板引起的附加相位θ是可以通過(guò)改變石墨烯地板的費(fèi)米能級(jí)進(jìn)行調(diào)控的。通過(guò)調(diào)節(jié)相位θ，使得在不同波長(zhǎng)下的傳播相位都滿(mǎn)足干涉條件，進(jìn)而拓寬了器件的可調(diào)諧帶寬。

參見(jiàn)圖3，在石墨烯超表面層1-1和介質(zhì)基底層1-2之間施加偏置電壓v和/或在石墨烯地板層1-3和介質(zhì)基底層1-2之間施加偏置電壓v2，并通過(guò)施加不同的偏置電壓v1和/或偏置電壓v2來(lái)改變石墨烯超表面層1-1的費(fèi)米能級(jí)ef1和/或石墨烯地板層1-3的費(fèi)米能級(jí)ef2。偏置電壓與費(fèi)米能級(jí)之間關(guān)系可參考以下公式：

式中為普朗克常量，vf為費(fèi)米速度取vf＝1.1×10⁶m/s，n為石墨烯載流子濃度，具體可由實(shí)驗(yàn)測(cè)得。

通過(guò)改變石墨烯的費(fèi)米能級(jí)ef1，ef2大小，可以改變石墨烯的電導(dǎo)率，實(shí)現(xiàn)石墨烯電導(dǎo)率的動(dòng)態(tài)調(diào)控，從而能夠在寬頻帶范圍內(nèi)調(diào)諧器件的工作頻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)寬帶圓極化轉(zhuǎn)換器本體的寬帶和頻率的動(dòng)態(tài)可調(diào)諧。具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)調(diào)節(jié)石墨烯超表面層1-1的費(fèi)米能級(jí)ef1，能夠改變石墨烯電導(dǎo)率，從而動(dòng)態(tài)調(diào)制上層石墨烯超表面的諧振特性。通過(guò)調(diào)節(jié)石墨烯地板層1-3的費(fèi)米能級(jí)ef2，能有效調(diào)諧反射電磁波的相位特性。在利用上層石墨烯即石墨烯超表面層1-1的費(fèi)米能級(jí)ef1調(diào)諧器件的工作頻率時(shí)，同時(shí)利用下層石墨烯即石墨烯地板層1-3的費(fèi)米能級(jí)ef2調(diào)控反射電磁波的相位，這樣可以在寬頻帶范圍內(nèi)讓上層石墨烯超表面的反射波與來(lái)自下層石墨烯的反射波之間滿(mǎn)足干涉條件，保證器件在寬調(diào)諧頻帶范圍內(nèi)具有較好的極化轉(zhuǎn)換特性。

對(duì)所設(shè)計(jì)的極化轉(zhuǎn)換器各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到優(yōu)選仿真實(shí)例，仿真軟件選用cst2016。本例一個(gè)單元結(jié)構(gòu)各參數(shù)如下：邊長(zhǎng)p＝40um，上層石墨烯的蝶形孔雙翼寬度px＝33um，雙翼的長(zhǎng)度py＝35um，兩翼中間的間距g＝2um，單層石墨烯厚度為0.335nm。硅基底厚度h＝30um，底層石墨烯為單層石墨烯隨機(jī)堆疊7層構(gòu)成多層石墨烯片，且每層石墨烯片的特性參數(shù)都相同，具體包括具有相同的弛豫時(shí)間τ＝2ps和相同的費(fèi)米能級(jí)ef。

仿真實(shí)驗(yàn)中，入射波為線極化波，電場(chǎng)極化方向與x軸呈45°，記作u極化波。當(dāng)上層石墨烯費(fèi)米能級(jí)ef1＝0.4ev，底層多層石墨烯地板費(fèi)米能級(jí)ef2＝0.4ev時(shí)，得到反射波交叉極化分量和同極化分量反射系數(shù)的幅度和相位差，如圖4所示，在頻率范圍0.76-0.9thz內(nèi)，兩分量的幅度接近相等，相位差接近90°，故合成波為圓極化波，實(shí)現(xiàn)了入射線極化波到反射圓極化波的效果。當(dāng)改變上層石墨烯超表面的費(fèi)米能級(jí)ef1和底層多層石墨烯地板的費(fèi)米能級(jí)ef2，極化器的圓極化軸比帶寬動(dòng)態(tài)調(diào)諧，如圖5所示，實(shí)現(xiàn)了在0.46-0.9thz范圍內(nèi)圓極化軸比小于3db，相對(duì)調(diào)諧帶寬達(dá)到64.7％。

本優(yōu)選仿真實(shí)例中，所提出的極化轉(zhuǎn)換器在很寬的頻帶實(shí)現(xiàn)線極化波到圓極化波的轉(zhuǎn)換，并且具有很好的圓極化性能，較大程度拓展了基于石墨烯反射型極化器的調(diào)諧帶寬，解決了由于干涉條件限制調(diào)諧帶寬的問(wèn)題。

需要說(shuō)明的是，盡管以上本發(fā)明所述的實(shí)施例是說(shuō)明性的，但這并非是對(duì)本發(fā)明的限制，因此本發(fā)明并不局限于上述具體實(shí)施方式中。在不脫離本發(fā)明原理的情況下，凡是本領(lǐng)域技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下獲得的其它實(shí)施方式，均視為在本發(fā)明的保護(hù)之內(nèi)。