[发明专利]用于二维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面

说明书

本发明公开一种用于二维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面，该石墨烯超表面由N*N个数量单位的石墨烯反射单元排列组成，每一个石墨烯反射单元包括最上层的石墨烯贴片、中间层的石英介质板以及底层的金属地板；石墨烯贴片设置在石英介质板上表面的中心点位置，且石墨烯贴片设置在石英介质板上表面的旋转角度为θ，金属地板设置在石英介质板的下表面，石墨烯贴片的中心点与石英介质板的中心点重合，其中θ为‑90°～90°范围内任意角度；每一个石墨烯单元的石墨烯贴片设置在石英介质板上表面的旋转角度θ由石墨烯超表面各个位置处的反射相位分布来确定。本发明所述石墨烯超表面能够对电磁波在二维方向上的自旋角动量和偏转方向进行控制。

技术领域

本发明涉及微波通信的技术领域，尤其涉及一种用于二维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面。

背景技术

自旋角动量(SAM)是一个表征电磁波的旋转状态的动量，它与电磁波的极化状态有关。电磁波的极化状态不同，可以用来携带不同的信息，也可以用于波束分裂器进行波束分离等，因此如何有效操控电磁波的SAM也被越来越多学者关注。为了有效地控制SAM，反射界面的补偿阶段的精确操作是必不可少的，但是现有的在太赫兹(THz)频段用来控制SAM的器件，大多使用的金材料，这种材料造价较高，而用普通金属单元制备的话，由于金属在高频频段的趋肤效应，电流集中在金属单元表面，造成电流分布不平均引起整体阻抗增加，产生较大损耗。

发明内容

为了解决上述技术缺陷，本发明的主要目的在于提供一种用于二维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面，可以对电磁波在二维方向上的自旋角动量和偏转方向进行控制，旨在解决现有技术中金属超表面因电流分布不平均造成单元阻抗增加而使整个金属超表面损耗高的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种用于二维方向上自旋角动量偏转的石墨烯超表面，该石墨烯超表面由N*N个数量单位的石墨烯反射单元排列组成，每一个石墨烯反射单元是由三层结构组成长方体结构，每一个石墨烯反射单元包括最上层的石墨烯贴片、中间层的石英介质板以及底层的金属地板；

所述石墨烯贴片设置在石英介质板上表面的中心点位置，且石墨烯贴片设置在石英介质板上表面的旋转角度为θ，所述金属地板设置在石英介质板的下表面，所述石墨烯贴片的中心点与石英介质板的中心点重合，其中，所述旋转角度θ为-90°～90°范围内任意角度；

每一个石墨烯单元的石墨烯贴片设置在石英介质板上表面的旋转角度θ由所述石墨烯超表面各个位置处的反射相位分布来确定，所述石墨烯超表面各个位置处的反射相位分布通过下式进行计算：

Φ(x,y)＝Φ₀(x,y)-k₀xsinθ'

θ＝Φ(x,y)/2

其中上两式中的Φ(x,y)为石墨烯反射单元的反射相位，k₀为自由空间中的波数，Φ(x,y)为石墨烯反射单元的初始相位，θ′为电磁波在二维方向上的投影与X轴的夹角，x和y分别为每一石墨烯反射单元的位置坐标中的横坐标、纵坐标，θ为每个石墨烯贴片在石墨烯单元上的旋转角度。

优选的，所述石墨烯贴片为矩形，所述石英介质板和金属地板均为一种上下表面均为正方形的长方体结构。

优选的，所述石墨烯反射单元的尺寸参数如下：所述石墨烯贴片的长度为13.39um、宽度为3.2um；所述石英介质板的边长为14um、厚度为26um；所述金属地板的边长为14um、厚度为1um。

优选的，所述石墨烯超表面的工作频率为1.36～1.62THz频段的太赫兹频段。

优选的，所述石墨烯贴片在小于10THz频率的低太赫兹频段内工作时，在低太赫兹频段内的电导率由带内电导率σ_intra决定，并由下式计算：