[发明专利]太赫兹数字化光控编码反射阵

说明书

本发明公开了一种太赫兹数字化光控编码反射阵。所述太赫兹数字化光控编码反射阵由衬底、金属微结构、VO₂薄膜三部分构成的复合微结构阵元在二维平面周期性排列而成。其中金属微结构为正方形“田”字结构，“田”字中央嵌有正方形VO₂薄膜。本发明不依赖于金属反射底板即可实现太赫兹波的反射，利用空间光调制器将激光数字化图形从编码反射面底部投影至每个阵元，以光控驱动的方式数字化独立控制每个阵元上的VO₂薄膜产生相变转换，实现复合微结构阵元对太赫兹波响应的调控，进而在编码反射阵阵面实现对太赫兹波的波束重构。本发明具有易制备、损耗小、高容差性、可重构的特点，在下一代高速无线通信和雷达探测成像领域中具有潜在应用前景。

技术领域

本发明涉及一种电磁波波前调控功能性器件，特别涉及一种太赫兹波段动态可重构的编码反射阵，属于超材料以及电磁功能器件领域。

背景技术

编码超表面是一种通过在二维平面上制备亚波长尺寸的微结构阵元构成的平面阵列。根据相控阵天线原理，通过对具有不同相位响应的微结构阵元进行编码，实现对电磁波波束辐射方向的可编程调控。通过将微结构结合二极管、晶体管、液晶等开关元件或可调材料进行复合设计，利用FPGA电控调节开关元件或可调材料达到阵元相位调控的目的，使编码超表面实现对波束辐射方向的动态重构及波束扫描等功能。反射式编码超表面由“金属反射底板-衬底-微结构”构成，同时又称为编码反射阵，由于反射式阵列更容易实现360度相位周期的调控，因此反射式编码反射阵受到了广泛的关注，并将其视为第六代无线通信的候选技术。

太赫兹波指波长在0.03到3mm范围的电磁波，由于具有频谱资源丰富、大带宽、抗干扰等优点，十分利于大容量高速无线通信和超分辨雷达成像的应用。对于具有亚波长尺寸微结构的太赫兹编码反射阵需要利用微纳工艺制备。然而电控编码调控所面临的复杂馈电系统受到微纳工艺技术水平和研发成本的限制，过孔工艺和多层布线难以实现且成品率低。此外由于太赫兹波长的限制，复杂的馈电系统将引发严重的寄生耦合干扰，从而增大了器件的插损。通过电控手段对太赫兹编码反射阵的每个阵元进行独立的相位调控将受到巨大阻碍。

二氧化钒(VO₂)作为一种相变材料在光、热、电、力多种外部驱动下均可实现从介质相到金属相的相变转换，对于生长在不同衬底上的VO₂薄膜，在太赫兹频段的电导率变化范围在3至5个数量级，VO₂薄膜结合微结构的复合设计可通过控制VO₂的电导率调节微结构在太赫兹波下的谐振模式，从而实现对太赫兹波的相位调控。要解决电控方案下的各种馈电难题，可考虑利用其光驱动代替电驱动实现数字化编码控制。空间光调制器作为一种光学领域常见的器件，可用于调控光的场强实现光的数字化图形投影，在3D打印机、光刻机、投影仪等设备上被广泛采用。然而，如果直接使用空间光调制器控制编码反射面实现光控波束重构，空间光调制器会遮挡太赫兹波束反射，限制波束重构及扫描的角度范围。

发明内容

针对现有技术的缺陷和需求，本发明所要解决的技术问题是，提供一种容易制备、损耗小、高容差性、具备波束重构能力的太赫兹数字化光控编码反射阵。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，基于光控VO₂相变薄膜材料，设计无金属反射底板的复合微结构阵元，构建太赫兹数字化光控编码反射阵。

所述太赫兹数字化光控编码反射阵由衬底、金属微结构、VO₂薄膜三部分构成的复合微结构阵元在二维平面周期性排列而成，其特征在于，复合微结构阵元的金属微结构和VO₂薄膜位于衬底表面，金属微结构为正方形“田”字结构，“田”字中央的金属断开不连通，并嵌有正方形VO₂薄膜。

所述编码反射阵不包含金属反射底板，能够在不依赖于金属反射底板的情况下实现对太赫兹波的反射及编码波束调控。