[发明专利]一种非互易磁光太赫兹波束扫描器

说明书

本发明公开了一种非互易磁光太赫兹波束扫描器及其工作方法。本发明所述器件是一种金属‑磁光半导体超光栅结构，由周期性排列的三组不同的金属/磁光半导体/空气波导结构组成，其空间相位呈现梯度排布，从而调控各衍射级次的能量分布，实现出射光束的大角度偏折。由于金属/磁光半导体/空气波导结构的非互易性，在不同方向和大小的外磁场作用下，可以有效控制出射光的偏转角度。相比于传统的机械式波束扫描器件，该设计基于场效应调控，响应速度快；相比于全光调制器件，该器件尺寸不受远场光束约束；同时，这种光栅式波束扫描器件调控效率高，插入损耗小。因此，该器件可用于太赫兹波的定向发射和波束扫描。

技术领域

本发明属于新型人工磁材料和太赫兹科学技术领域，具体涉及一种多角度可调，非互易的磁光太赫兹波束扫描器及其设计方法。

背景技术

太赫兹(THz)波位于0.1THz-10THz的频率范围内，由于其光子能量小，对人体生物组织几乎无损以及对塑料等等的强穿透能力；在生物成像，无损检测和材料光谱等领域有着广泛的应用前景和极高的研究价值；近年来，随着互联网的发展，人们对于高速度，大容量的无线通信网络的需求也不断提高，由于太赫兹的高频特性和其远高于毫米波的通信容量，在无线通信领域备受人们的关注和研究。而波束扫描和定向发射器件在光通信、雷达等领域中起着至关重要的作用，对于主动调控的太赫兹波束扫描器的研究有着极高的应用前景和研究意义。

目前，对于波束扫描器的研究大多都是基于超材料的应用。超材料是一种由亚波长结构组成的人工材料，由于这种材料对于电磁波的振幅、相位和偏振有着极强的调控能力，在控制出射梯度相位和波束扫描方面有着重大的研究价值，例如近年来公开的太赫兹定向发射器采用的是反射式光栅的结构(Optic Letters，44，939-942(2019))，通过设计宽度与间距不等的介质柱，组成低折射率介质光栅，实现衍射级次调控，从而控制光束的出射方向；其中由于介质柱宽度不同，从而调控出射相位，当设计好的多介质柱组成的超光栅出射相位分布达到一定条件时，大部分的出射光能量都被调制到二级衍射，在该设计中二级衍射效率最高可达80％以上；然而这种设计无法实现主动调控，既无法实现光束扫描；同时，该结构尺寸较大，不易于集成。

在微波波段，主动式定向发射和光束扫描器件已经趋于成熟，如相控阵雷达和阵列天线等等；但是，在太赫兹等高频波段，目前的主动式光束扫描器仍处于研究之中。目前常见的主动调控方法如机械调控(Laser Photonics Rev.2016，10，1002.)，通过超表面设计，可以实现超棱镜的聚焦点的调控，但机械式调控其响应速度慢，结构复杂，不易集成于目前的光学系统中；近年来，一些基于全光调制的方法也逐渐产生，如(Light：Sci.Appl.2012，1，e1.)，通过两束不同频率的光束反向照射超表面，可以实现对于不同相位的透过率调制，全光调制方法虽然调制速率快，但需要施加远场光束，大大的增加了器件尺寸；由于上述方法的局限性，基于场效应的调制方法逐渐被人们关注，该方法有效的克服了上述两种方法的缺点，调制速率快，而且器件尺寸小。近年来公开的基于场效应的太赫兹相位调控如(Nano Lett.2017，17，3027.)，采用的是石墨烯端到端的的耦合贴片阵列天线结构，通过调控电压，实现反射光相位的调控，但其调控效率低，只有5％。目前，大部分基于场效应调节的方法都存在调节效率的问题，仍需进一步探索和改进。

综上所述，一方面目前太赫兹科技的高速发展对于太赫兹波束扫描器件有着迫切的需求，另一方面，国内外所报道的基于太赫兹的相位调制和波束扫描器件的研究在响应速度、器件尺寸和调制效率等方面还无法满足目前太赫兹系统应用的需求，因此，对于可以调节、高响应速率、集成的高效率太赫兹波束扫描器的研究有着重要的科研价值和意义。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种基于场效应的主动可调非互易的波束扫描装置；不仅解决了现有许多被动式器件的不可调的缺点，而且对比于目前其他的主动调控器件，其响应速度快，易于集成，调控效率高。