一種基于偏振轉(zhuǎn)換和相變原理的溫控開關(guān)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于新型人工電磁材料【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及對(duì)電磁波的傳輸控制，尤其是控制電磁波交叉偏振的傳輸，通過溫控的方式實(shí)現(xiàn)電磁波交叉偏振傳輸?shù)拈_/關(guān)功能的一種基于偏振轉(zhuǎn)換和相變原理的溫控開關(guān)。基于偏振轉(zhuǎn)換和相變原理的溫控開關(guān)，包括介質(zhì)層和雙層人工電磁材料，雙層人工電磁材料分別位于介質(zhì)層兩側(cè)的表面，每層人工電磁材料由周期性排列的人工電磁材料基本單元構(gòu)成，人工電磁材料層的基本單元是指由金屬條組成的E型金屬結(jié)構(gòu)和條形相變材料結(jié)構(gòu)，條形相變材料位于E型金屬結(jié)構(gòu)的間隙，條形相變材料的長度與E型金屬條的寬度相同。本發(fā)明可在更寬的頻譜范圍內(nèi)有效工作，尤其適用于多頻段的線偏振光轉(zhuǎn)換開關(guān)。
【專利說明】一種基于偏振轉(zhuǎn)換和相變原理的溫控開關(guān)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于新型人工電磁材料【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及對(duì)電磁波的傳輸控制，尤其是控制電磁波交叉偏振的傳輸，通過溫控的方式實(shí)現(xiàn)電磁波交叉偏振傳輸?shù)拈_/關(guān)功能的一種基于偏振轉(zhuǎn)換和相變原理的溫控開關(guān)。
【背景技術(shù)】
[0002]1959年Morin在貝爾實(shí)驗(yàn)室首次觀察到釩的低價(jià)態(tài)氧化物在加熱過程中具有從半導(dǎo)體到金屬的相變現(xiàn)象，半個(gè)多世紀(jì)以來，科學(xué)家己經(jīng)發(fā)現(xiàn)有多種釩的氧化物具有從低溫半導(dǎo)體相到高溫金屬相轉(zhuǎn)變的特性。而其中二氧化釩因?yàn)槠錈嶂孪嘧儨囟?8°C最接近室溫而被廣為關(guān)注。二氧化釩薄膜作為一種相變的金屬氧化物，在熱、光或者應(yīng)力的作用下可以由單斜結(jié)構(gòu)的絕緣體態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆浇Y(jié)構(gòu)的金屬態(tài)，同時(shí)伴隨著電阻率、磁導(dǎo)率、光透射率和反射率的巨大突變。其中二氧化釩薄膜的電阻率突變幅度可達(dá)4?5個(gè)數(shù)量級(jí)，而且這種突變是可逆的。這種電磁性能的突變?yōu)榘l(fā)展新型光子器件、調(diào)制器、開關(guān)和新型傳感器提供了可能，而且在微波和太赫茲領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。
[0003]新型人工電磁材料Metamaterials中“meta”相當(dāng)于英文的“beyond”,意為超越，其結(jié)構(gòu)單元的尺度在亞波長量級(jí)，可以實(shí)現(xiàn)天然材料所沒有的電磁特性，如負(fù)折射、完美透鏡、隱身斗篷等。新型人工電磁材料的出現(xiàn)極大地豐富了電磁領(lǐng)域的研究內(nèi)容，例如手性與新型人工電磁材料結(jié)合后會(huì)出現(xiàn)巨大的旋光效應(yīng)、電磁波的非對(duì)稱傳輸?shù)取?006年，英國南安普敦大學(xué)Zheludev教授的研究小組在平面手性新型人工電磁材料研究中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的、重要的電磁學(xué)效應(yīng)-圓轉(zhuǎn)換二向色性，導(dǎo)致了宏觀的非對(duì)稱傳輸現(xiàn)象(A.V.Rogacheva, Phys.Rev.Lett.2006, 97, 177401)。近年來,相變材料也被融入到新型人工電磁材料的設(shè)計(jì)中，目的是對(duì)新型人工電磁材料的響應(yīng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的控制。通過控制外部激勵(lì)(比如熱激發(fā)源)，新型人工電磁材料的工作頻率或者電磁響應(yīng)在一定的頻率段內(nèi)被動(dòng)態(tài)調(diào)諧，它的特性不再只依靠基本結(jié)構(gòu)單元的幾何形狀或者結(jié)構(gòu)尺寸。對(duì)于電磁波技術(shù)，新型人工電磁材料最大的優(yōu)勢在于其可隨意設(shè)計(jì)的電磁諧振響應(yīng)，可極大地增強(qiáng)電磁波與物質(zhì)之間的相互作用，遠(yuǎn)勝于自然界的常規(guī)材料。
[0004]目前，基于人工電磁材料的VO2調(diào)制器(Acta Phys.Sin.2013, 62，130702)有很多的報(bào)道。利用VO2的相變原理，提出了將VO2薄膜與新型人工電磁材料集成的設(shè)計(jì)。通過調(diào)控溫度來調(diào)制薄膜中載流子濃度的變化，導(dǎo)致相變前后透射率發(fā)生明顯降低，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模式的溫控切換。但在這個(gè)溫控的太赫茲波新型人工電磁材料研究中，溫控方式僅能夠?qū)崿F(xiàn)能量傳輸效率80 %的變化，最低傳輸效率大于10 %，可調(diào)諧性和調(diào)制深度小，不具有顯著的開關(guān)效應(yīng)，研究中主要調(diào)制共偏振的傳輸，未涉及偏振轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，受同偏振態(tài)的背景噪聲影響嚴(yán)重。新型人工電磁材料與相變材料相結(jié)合的研究領(lǐng)域中，尚未見基于電磁波交叉偏振傳輸?shù)臏乜亻_關(guān)器件相關(guān)文獻(xiàn)與專利。本專利將提出一種溫控的電磁波新型人工電磁材料，實(shí)現(xiàn)交叉偏振傳輸?shù)拈_/關(guān)功能，該微波功能器件的調(diào)制深度大，具有很高的信噪比。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種有效頻譜范圍更寬的基于偏振轉(zhuǎn)換和相變原理的溫控開關(guān)。
[0006]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0007]基于偏振轉(zhuǎn)換和相變原理的溫控開關(guān)，溫控開關(guān)器件包括介質(zhì)層和雙層人工電磁材料，雙層人工電磁材料分別位于介質(zhì)層兩側(cè)的表面，每層人工電磁材料由周期性排列的人工電磁材料基本單元構(gòu)成，人工電磁材料層的基本單元是指由金屬條組成的E型金屬結(jié)構(gòu)和條形相變材料結(jié)構(gòu)，條形相變材料位于E型金屬結(jié)構(gòu)的間隙，條形相變材料的長度與E型金屬條的寬度相同。
[0008]兩層人工電磁材料的基本單元結(jié)構(gòu)完全相同，兩層人工電磁材料的基本單元存在結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)角，結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)角非0°和180°。
[0009]介質(zhì)層材料采用印刷電路板PCB、藍(lán)寶石Al2O3,介質(zhì)層厚度為t，其厚度為毫米量級(jí)。
[0010]人工電磁材料基本結(jié)構(gòu)單元厚度tm為百納米量級(jí)，所述的金屬材料為銅、金、鋁。
[0011]E型金屬結(jié)構(gòu)和條形相變材料結(jié)構(gòu)，是通過刻蝕覆于介質(zhì)層表面，相變材料為二氧化?凡。
[0012]本發(fā)明的有益效果在于:
[0013]1、更寬的工作頻譜范圍:基于偏振轉(zhuǎn)換的微波溫控開關(guān)適用于多種材料和幾何形狀，可在更寬的頻譜范圍內(nèi)有效工作，尤其適用于多頻段的線偏振光轉(zhuǎn)換開關(guān)。
[0014]2、更方便的性能調(diào)諧:與電、光、磁場等方式的控制，溫度調(diào)控?zé)o疑更加方便，易于實(shí)現(xiàn)。
[0015]3、更低的制造成本:該器件體積小，結(jié)構(gòu)簡單，與現(xiàn)有VO2工藝相匹配，易于制備?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0016]圖1是電磁波溫控開關(guān)結(jié)構(gòu)單元的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2是新型人工電磁材料結(jié)構(gòu)單元的正反面示意圖；
[0018]圖3是電磁波溫控開關(guān)的周期性結(jié)構(gòu)正反面示意圖；
[0019]圖4是電磁波溫控開關(guān)工作原理圖；
[0020]圖5是VO2薄膜相變前后電磁波溫控開關(guān)透射幅值(T^x和Tyx )的仿真結(jié)果。【具體實(shí)施方式】
[0021 ] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。
[0022]—種基于偏振轉(zhuǎn)換和相變原理的溫控開關(guān)，屬于電磁波和新型人工電磁材料應(yīng)用領(lǐng)域。本發(fā)明涉及了溫控的電磁波偏振轉(zhuǎn)換開關(guān)器件。其特征在于采用雙層的新型人工電磁材料實(shí)現(xiàn)了溫度可控的線偏振轉(zhuǎn)換的開關(guān)功能。所述的人工電磁結(jié)構(gòu)包括介質(zhì)層和雙人工電磁材料層，介質(zhì)層位于雙人工電磁材料層之間。每層新型人工電磁材料由周期性排列的新型人工電磁材料基本單元構(gòu)成，兩層的基本單元結(jié)構(gòu)完全相同，但相互之間存在旋轉(zhuǎn)角，由于磁響應(yīng)和電響應(yīng)的耦合效應(yīng)形成手性特征。新型人工電磁材料的基本單元包括一定寬度的E型金屬結(jié)構(gòu)和條形相變材料結(jié)構(gòu)。利用熱激發(fā)的作用，調(diào)控相變材料的電導(dǎo)率，基于偏振轉(zhuǎn)換和相變原理，在實(shí)現(xiàn)交叉偏振傳輸?shù)耐瑫r(shí)可以有效的抑制共偏振噪聲，而且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電磁波傳輸特性的開/關(guān)控制。該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)新型微波功能器件，包括偏振器件、溫控開關(guān)、調(diào)制器和濾波器等，對(duì)微波段新型人工電磁材料的發(fā)展具有重要意義。
[0023]將相變材料融入雙層新型人工電磁材料的設(shè)計(jì)中，層間結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)角將旋轉(zhuǎn)通過它的電磁波的偏振面，實(shí)現(xiàn)交叉偏振轉(zhuǎn)化；相變材料中載流子的熱激發(fā)，導(dǎo)致相變材料從介質(zhì)絕緣特性到金屬導(dǎo)電特性的轉(zhuǎn)變，其性質(zhì)的改變影響偏振轉(zhuǎn)化效率，交叉偏振傳輸效率從I降為O ;通過溫度高低的控制，選擇電磁波的激發(fā)模式，可實(shí)現(xiàn)微波波段交叉偏振傳輸?shù)拈_/關(guān)控制。
[0024]本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0025]基于偏振轉(zhuǎn)換和相變原理的溫控開關(guān)包括介質(zhì)層和雙人工電磁材料層。其特征在于，所述的介質(zhì)層位于雙層人工電磁材料之間，采用印刷電路板(PCB)或性能相近、易于加工的介質(zhì)材料，其厚度為毫米量級(jí)，作為雙人工電磁材料層的基底或者間隔層來支撐雙層新型人工電磁材料；雙層人工電磁材料分別位于介質(zhì)層兩側(cè)的表面，每層新型人工電磁材料由周期性排列的人工電磁材料基本單元構(gòu)成；兩層的基本單元結(jié)構(gòu)完全相同，但存在非0°和非180°的結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)角，形成手性特征，實(shí)現(xiàn)交叉偏振傳輸；新型人工電磁材料層的基本單元是指一定寬度的E型金屬結(jié)構(gòu)和條形相變材料結(jié)構(gòu)的組合，其厚度為十微米量級(jí)。條形相變材料結(jié)構(gòu)和E型金屬結(jié)構(gòu)，是通過刻蝕覆于介質(zhì)層的表面，兩種材料結(jié)構(gòu)的厚度相同為tm;相變材料為VO2等其他相變熱敏材料。金屬結(jié)構(gòu)采用金、鋁等金屬材料。新型人工電磁材料的周期為毫微米量級(jí)。
[0026]該器件的工作原理為:雙層人工電磁材料的層間結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)角的存在使所述器件具有手性性質(zhì)，可旋轉(zhuǎn)通過它的電磁波的偏振面，實(shí)現(xiàn)交叉偏振轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)交叉偏振傳輸。利用外部熱激勵(lì)控制條形相變材料中的載流子濃度，實(shí)現(xiàn)相變材料在介質(zhì)絕緣特性與金屬導(dǎo)電特性的之間的轉(zhuǎn)變，而熱激發(fā)的強(qiáng)度不影響金屬和介質(zhì)層的特性。相變材料性質(zhì)的改變可以調(diào)制交叉偏振傳輸模式的效率，使器件在兩個(gè)不同的工作模式下切換。通過熱激發(fā)的控制，即可實(shí)現(xiàn)電磁波交叉偏振傳輸?shù)臏乜亻_關(guān)功能。
[0027]實(shí)施例1:
[0028]實(shí)施例工作在微波波段，溫度可控的電磁波開關(guān)的基本結(jié)構(gòu)單元如圖1和圖2所示，包括介質(zhì)層I和雙人工電磁材料層2和3。介質(zhì)層I位于雙人工電磁材料層2和3之間，采用印刷電路板(PCB)，厚度t = 1.6mm。雙人工電磁材料層2和3位于介質(zhì)層I的表面，每層由周期性排列的、E型金屬結(jié)構(gòu)和條形相變材料結(jié)構(gòu)的新型人工電磁材料基本單元構(gòu)成，周期d = 15mm。刻蝕覆于介質(zhì)層I的表面。金屬結(jié)構(gòu)的邊長a = 11mm,金屬條的寬度w = 3mm形成E型金屬結(jié)構(gòu)4,相變材料結(jié)構(gòu)的長度與金屬條的寬度相同w = 3mm,寬度b=(c_3w)/2,其厚度與金屬層相同，tm = 17μ m,形成條形相變結(jié)構(gòu)5,相變材料為V02。實(shí)施例中，兩層人工電磁材料的基本結(jié)構(gòu)單元尺寸相同，但兩層基本單元之間的結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)角為 90。。
[0029]下面再結(jié)合附圖4進(jìn)一步說明實(shí)施方案，首先為微波溫控開關(guān)器件設(shè)置一個(gè)XYZ坐標(biāo)軸作為工作平臺(tái)，Z軸垂直于溫控開關(guān)器件的表面。如圖4(a)所示，X方向偏振的線偏振光6沿-Z方向垂直入射到上述溫控開關(guān)器件表面后，交叉偏振輸出光為7 ;令熱源T作為熱激發(fā)源，器件溫度控制在相變溫度68°C (340K)以上，此時(shí)入射到開關(guān)器件上的線偏振光6的交叉偏振輸出光為8，如圖4(b)，透射光7和8的強(qiáng)度存在明顯差別。新型人工電磁材料器件的微波能量透過率用T表示，下標(biāo)1、j分別代表透射光和入射光的偏振態(tài)，上標(biāo)+和-分別代表有熱致激發(fā)和無熱致激發(fā)(注:TYX表示無熱致激發(fā)情況下，輸入的X偏振光轉(zhuǎn)化為Y偏振輸出光的系數(shù))。溫控微波開關(guān)器件在有、無熱致激發(fā)作用下的交叉偏振能量輸出曲線如圖5所示。從圖5可以看出，在3.17GHz, 3.61GHz、4.1lGHz和4.23GHz處，τ?χ與Tyx有著顯著的差異，開關(guān)效應(yīng)明顯。通過溫控的方式，該微波器件的交叉偏振傳輸?shù)恼{(diào)制深度在90 %左右，能量輸出可在0-75 %范圍內(nèi)變化。
[0030]本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到，這里所述的實(shí)施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應(yīng)被理解為發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實(shí)施例。凡是根據(jù)上述描述做出各種可能 的等同替換或改變，均被認(rèn)為屬于本發(fā)明的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于偏振轉(zhuǎn)換和相變原理的溫控開關(guān)，其特征在于:包括介質(zhì)層和雙層人工電磁材料，雙層人工電磁材料分別位于介質(zhì)層兩側(cè)的表面，每層人工電磁材料由周期性排列的人工電磁材料基本單元構(gòu)成，人工電磁材料層的基本單元是指由金屬條組成的E型金屬結(jié)構(gòu)和條形相變材料結(jié)構(gòu)，條形相變材料位于E型金屬結(jié)構(gòu)的間隙，條形相變材料的長度與E型金屬條的寬度相同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于偏振轉(zhuǎn)換和相變原理的溫控開關(guān)，其特征在于:所述的兩層人工電磁材料的基本單元結(jié)構(gòu)完全相同，兩層人工電磁材料的基本單元存在結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)角，結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)角非0°和180°。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于偏振轉(zhuǎn)換和相變原理的溫控開關(guān)，其特征在于:所述的介質(zhì)層材料采用印刷電路板PCB、藍(lán)寶石Al2O3,介質(zhì)層厚度為t，其厚度為毫米量級(jí)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于偏振轉(zhuǎn)換和相變原理的溫控開關(guān)，其特征在于:所述的人工電磁材料基本結(jié)構(gòu)單元厚度tm為百納米量級(jí)，所述的金屬材料為銅、金、鋁。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于偏振轉(zhuǎn)換和相變原理的溫控開關(guān)，其特征在于:所述的E型金屬結(jié)構(gòu)和 條形相變材料結(jié)構(gòu)，是通過刻蝕覆于介質(zhì)層表面，相變材料為二氧化?凡。
【文檔編號(hào)】G02F1/01GK104020588SQ201410246798
【公開日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2014年6月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月5日
【發(fā)明者】史金輝, 呂婷婷, 史全超, 朱正, 關(guān)春穎 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)