[发明专利]一种基于二氧化钒的透反可调的太赫兹编码超材料

说明书

本发明提供了一种基于二氧化钒的透反可调的太赫兹编码超材料，材料单元结构由金属层和介质层组成，各个金属层之间以介质层相间隔，金属层包括两种结构，第一结构用于实现编码，第二结构用于实现透射和反射的转变，本发明通过调节第一结构的金属和二氧化钒长度不同得到四个不同的单元结构，四个单元结构之间的电磁响应相位相差π/2，实现2比特编码，利用二氧化钒的温控相变特性，第二结构能够实现垂直入射电磁波在透射和反射这两种光传输现象之间转换。当二氧化钒处于介质态时，能够实现光的异常透射，当二氧化钒处于金属态的时候，能够实现光的异常反射。

技术领域

本发明属于可调谐编码超材料领域，特别涉及一种基于二氧化钒的透反可调的太赫兹编码超材料，主要用于太赫兹波段光束的透反调控，能够实现超透镜、涡旋光束等功能。

背景技术

超材料是一种人工设计的材料，其单位结构尺寸远小于波长。它们通常由亚波长大小的周期或准周期结构组成。它是一种具有独特性能的人造材料。通过合理的设计，可以实现一些天然材料所不具备的特殊物理现象。超材料通常以等效媒质理论为特征，无法实现对电磁场和电磁波的实时灵活调节。随着科学技术的发展，2014年东南大学崔铁军教授课题组提出“数字编码超表面”和“可编程编码超表面”的概念(Cui T J et al，Light:ScienceApplications,2014)，成功地将传统的物理世界和数字世界连接起来，大大简化了超材料结构的设计与优化。将超材料对于电磁波覆盖2π的相位响应进行离散和二进制编码，就能产生相应比特位的数字编码超材料单元结构，比如进行1比特编码，那么，只需要将2π的相位离散成两个相位，对应两个单元结构，彼此之间的相位差就会是π，可以编码成0和1。比如需要2比特数字编码超材料，那么就需要对2π的相位进行离散成四个相位，彼此之间的相位差是π/2，相应的就会形成四个单元结构，可以编码成00，01，10和11。可以发现超材料的数字编码概念与数字电路领域的高低电平很相似，成功将数字电路领域的概念引入物理世界的超材料中，这也为数字编码超材料的发展奠定了数字信息处理领域的基础，有利于超材料的发展和在实际生活中的应用。时空编码数字超材料在无线通信、认知雷达、多输入多输出系统、OAM波束生成、自适应波束形成和全息成像中有重要的应用。

通过加入可调谐材料，可以使超材料的功能更加多样化，提高超材料在实际应用中的能力。可调谐材料或元件的电磁特性可以通过外部刺激来改变，从而导致超材料有效电磁响应的改变以及电磁输出的调谐。热量是可调超材料的一个可用刺激因素。对于有效的热可调超材料，亚原子或亚材料的基底应该对温度变化表现出强烈的敏感性。由于这种敏感性，超材料的电磁响应随着温度的变化而显著变化，从而获得动态调整超材料响应的能力。

在常温状态下，二氧化钒的晶格结构为单斜金红石结构，当其温度超过68℃时，它可以经历从绝缘状态到金属状态的转变，二氧化钒薄膜作为常用的可调谐材料，在经历相变前后，薄膜的反射率、吸收率、透射率、电阻率、磁化率等均会发生巨大的变化，尤其是电阻率，变化达到了3～5个数量级。因此由这些多样的刺激、较低的工作温度和良好的性能使二氧化钒成为潜在应用的热门选择。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于二氧化钒的透反可调的太赫兹编码超材料。本发明利用二氧化钒的温控相变特性实现太赫兹波束的调控，通过改变金和二氧化钒矩形条的长度实现2比特编码，利用温度调控实现二氧化钒由金属态到绝缘态的可逆性转变，实现太赫兹波束透射和反射的动态调控，能够实现超透镜、涡旋光束等功能。

本发明的目的是这样实现的：