一种太赫兹有源超表面振幅型空间调制器
技术领域
本发明涉及空间调制器件技术，尤其涉及一种太赫兹有源超表面振幅型空间调制器。
背景技术
太赫兹波是指频率在0.1THz～10THz之间的电磁波，其波长在3000μm～30μm之间，太赫兹波具有穿透性强，对生物大分子具有独特的特征谱线以及对人体无电离辐射等特点。这些特点在人体安检、医疗成像等领域具有十分广阔的应用前景。现今制约太赫兹技术发展的关键技术之一为太赫兹波调控器件。而上述器件可以与超表面技术相结合进而实现有效的太赫兹波调控。超表面是指通过人工设计的以周期形式排列的具有亚波长厚度的结构阵列，通过结构与入射光的相互作用实现对电磁波的调控，其具有独特的负磁导率，负折射率，负介电常数等材料特性。最初的研究主要集中在无源超表面领域，器件一旦制备完成，其电磁特性就被固定了，缺乏灵活性。为了解决上述问题、提高超表面的实用性，研究人员提出制备具有主动可调谐或可重构功能的超表面器件，希望能够进一步增强超表面的灵活性，如结合相变材料。
在太赫兹成像的领域中，空间光调制器至关重要，制备该器件需要将有源超表面调制与阵列化单像素成像相结合，若不考虑对单个像素点进行调制，难以自主生成所需图案，因此阵列化超表面器件并结合单像素成像技术，对太赫兹波波前的振幅进行调制，进一步结合压缩感知技术处理各种图案具有很大的发展前景。因此，设计一种可阵列化控制的空间光调制器具有十分重要的现实意义。
发明内容
为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种太赫兹有源超表面振幅型空间调制器。
本发明所采用的技术方案是：
一种太赫兹有源超表面振幅型空间调制器，包括M×M个阵列排布的像素单元；
每个所述像素单元包括MOS管和超表面单元；所述超表面单元包括N×N个阵列排布的谐振超构单元；所述谐振超构单元包括金属层、相变材料层、介质层和谐振模块；所述MOS管与所述金属层连接；
通过控制MOS管的导通情况，控制超表面单元的反射状态。
进一步，所述超表面单元的正投影为正方形，相邻两个所述超表面单元之间的间距为100μm；
所述谐振超构单元的正投影为正方形，且边长为aμm，所述超表面单元正投影的正方形的边长为a×Nμm。
进一步，所述相变材料层的第一表面与所述金属衬底层连接，所述相变材料层的第二表面与所述介质层连接，所述谐振模块设置在所述介质层上。
进一步，所述谐振模块包括第一圆环柱体和第二圆环柱体；所述第一圆环柱体和所述第二圆环柱体共心且高度相同。
进一步，在M×M阵列中，同一行的MOS管的栅极相连，同一列的MOS管的源极相连；
所述MOS管的漏极连接到对应的超表面单元的金属层的侧面。
进一步，所述谐振超构单元正投影的正方形的边长为49-51μm。
进一步，所述第一圆环柱体的外圆半径为20.5-21.5μm，内圆半径为14.5-15.5μm；
所述第二圆环柱体的外圆半径为9.5-10.5μm，内圆半径为3.5-4.5μm；
圆环柱体的厚度为0.15-0.25μm。
进一步，所述金属层的材料为金，所述相变材料层的材料为Ge2Sb2Te5，所述介质层的材料为SiO2。
进一步，所述相变材料层的厚度为1.95-2.05μm，所述介质层的厚度为0.95-1.05μm。
进一步，相变材料Ge2Sb2Te5在非晶态时的节点常数为εa＝18.0+0.01i，相变材料Ge2Sb2Te5在在晶态时的介电常数为εc＝33.0+6.00i，所述介质层的介质的相对介电常数为3.9。
进一步，所述金属层的厚度为1μm，相变材料层的厚度为2μm，所述介质层的厚度为1μm，所述圆环柱体的高度为0.2μm。
本发明的有益效果是：本发明的超表面单元可以通过MOS管的通断控制，进行晶态与非晶态的切换，便于通过后续调制手段应用于太赫兹图像产生，产生反射电磁强度或能量空间分布，并经过探测器接受获得个像素点明暗分布不一致的图样图案，实现对太赫兹波前的空间振幅调制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
图1是本发明实施例中M×M阵列化超表面的结构示意图；
图2是本发明实施例中单个超表面单元的结构示意图；
图3是本发明实施例中单个谐振超构单元的结构示意图；
图4是本发明实施例中超表面在1.133THz处的表面电流矢量图；
图5是本发明实施例中金属底层上表面在1.133THz处的表面电流矢量图；
图6是本发明实施例中超表面在2.840THz处的表面电流矢量图；
图7是本发明实施例中金属底层上表面在2.840THz处的表面电流矢量图；
图8是本发明实施例中超表面相变后的反射率对比图；
图9是本发明实施例中超表面加热的仿真示意图；
图10是本发明实施例中十字形二值图像理想成像或空间调制示意图；
图11是本发明实施例中像素单元与谐振超构单元结构关系的示意图。
附图标记：1、金属层，2、相变材料层，3、介质层，4、谐振模块。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
图1为本发明实施例的基于相变介质的太赫兹有源超表面阵列振幅型空间调制器的结构示意图，整体为M×M阵列，每个像素单元有恒定间隔，间隔距离为100μm。像素单元由MOS选通管结构和独立的一个超表面组合构成，参见图11，单个像素单元内的超表面又由N×N的谐振超构单元阵列周期排列构成，所述超表面阵列化形成基于超表面振幅调控的太赫兹空间调制器；所述像素单元大小设计决定于工作频率或波长，针对1.133THz时，单个像素大小设计为300μm×300μm，并由6×6的谐振超构单元阵列构成(即N＝6)；因此，每个像素单元的超表面可以独立寻址控制，通过横向和纵向电极分别作为行线、列线寻址选通某个超表面实现局域电磁调控，具体通过控制MOS管导通加热Ge2Sb2Te5(GST)，后者在非晶态与晶态之间切换时，谐振点处反射率在较大正常值与极小值间切换；当反射率处于极小值时，对应选中单元可被视为对应像素的“关态”，反射光强度极小，用数字“0”表示；反之，当相变控制引起谐振单元原频率点出现反射极大值时，选中单元可视为对应像素的“开态”，用数字“1”表示。具体地，在对MOS管的控制的过程中，可采用逐行(即M×M的每一行)进行调制的方式进行调制。
图2为本发明实施例超表面单元的示意图，超表面单元的正投影为正方形，此正方形边长为a×Nμm，每个超表面单元由N×N个谐振超构单元组成。其中a为谐振超构单元正投影的边长。
本发明实施例中，高度是指沿图3中Z方向的尺寸。图3是图2中单个谐振超构单元的结构示意图，如图3所示，该谐振超构单元包括依次层叠的金属衬底层1、相变材料层2、介质层3、以及谐振模块4，谐振超构单元中金属衬底层1、相变材料层2与介质层3为边长相等的正方形，该正方形的边长为49-51μm，该实施例中该正方形的边长优选50μm。金属衬底层1的厚度为0.9-1.1μm，该实例选用1μm。相变材料层2的厚度为1.95-2.05μm，该实施例中该相变材料的厚度优选2.00μm。介质层3的厚度为0.95-1.05μm，该实施例中该介质层的厚度优选1.00μm。谐振模块4置于介质层3的正中心。
谐振模块4包括大圆环柱体(即第一圆环柱体)和小圆环柱体(即第二圆环柱体)，大圆环柱体与小圆环柱体同心设置。大圆环柱体的高度与小圆环柱体的高度相同，该高度范围为0.15-0.25μm，优选的，其高度为0.2μm。该高度不同会影响谐振频率，导致吸波效果变差。谐振模块选用金属材料铜。
该实施例中，所述介质层3选用SiO2，其相对介电常数为3.9，相变材料层2选用Ge2Sb2Te5。该相变材料在该相变材料层在非晶态时其介电常数为εa＝18.0+0.01i，在晶态时其介电常数为εc＝33.0+6.00i。
本实施例中，入射电磁场沿z方向垂直入射超表面结构单元时(如图3所示)，金属圆环产生感应电流，电流从圆环的两臂流过，方向相反，金属圆环产生电偶极子振荡，底部金属层电流主要集中在圆环的正下方，其电流方向与圆环电流方向相反，构成回路进而激发产生磁偶极子共振，在谐振频率处反射率达到极小值。图4和图5为超表面在1.133THz时圆环表面电流矢量图和金属层表面电流矢量图。图6和图7为超表面在2.840THz时圆环表面电流矢量图和金属层表面电流矢量图。其中，参见图4，圆环的两臂在本实施例中指的是金属圆环从中间对称轴平分的左右两部分金属。
图8是本发明实施例的超表面相变材料在非晶态和晶态两种模式下对应反射曲线图，非晶态模式下有两个反射极小值点，分别是1.133THz反射率为0.009和2.840THz反射率为0.020；晶态模式下，原谐振频率点1.133THz反射率为0.985，2.840THz反射率为0.932，反射率出现很大反差，在每个像素点处，出现谐振反射极小值的单元可被视为暗处用数字“0”表示，相变后谐振模块在原频率点出现反射极大值点可视为亮处用数字“1”表示，此时器件表面可产生振幅空间分布不一致的图案，实现对太赫兹波前的振幅调制。
图9是本发明实施例超表面单元加热仿真图，MOS管漏极连接到中金属层的侧面，金属层另一侧面接地，当MOS管导通后，施加0.1V的电压，金属层作为加热器，可在25μs时使相变层整体达到融化温度610℃，断开电压冷却至室温GST由非晶态变为晶态。此时原谐振频率点反射率产生较大差异。同时，介质层3为SiO2层耐高温，在加热过程中仍然能够保持其稳定性。
图10是本发明实施例十字形二值图像理想成像或空间调制示意图，当入射太赫兹波为1.334THz时，将控制MOS管导通并加热Ge2Sb2Te5(GST)，GST在非晶态与晶态之间切换，原谐振频率点反射率在较大正常值与极小值间变化，当反射率处于极小值时，对应选中单元可被视为暗处，即对应像素的“关态”，反射光强度极小，用数字“0”表示，示意图中为白色；反之，当相变引起谐振模块在原频率点出现反射极大值时，对应选中单元可视为亮出，即对应像素的“开态”，用数字“1”表示，示意图中为黑色。
与现有技术相比，本发明实施例至少具有如下有益效果：
本发明的超表面可以通过横向电极和纵向电极控制MOS管的通断，进而施加电压加热相变材料层使非晶态GST变为晶态GST，介电常数发生显著变化，原谐振点的反射率出现较大反差。超表面与太赫兹波发生谐振的原理是当电磁波沿Z轴入射，金属圆环产生感应电流，电流从圆环的两臂流过，两臂感应电流方向相反，金属圆环产生电偶极子振荡，底部金属层电流主要集中在谐振圆环的正下方，其电流方向与圆环电流方向相反，构成回路进而激发产生磁偶极子共振，在谐振频率处反射率达到极小值。在每个像素点处，原谐振频率点反射率在较大正常值与极小值间变化，当反射率处于极小值时，对应选中单元可被视为暗处，即对应像素的“关态”，反射光强度极小，用数字“0”表示；反之，当相变引起谐振模块在原频率点出现反射极大值时，对应选中单元可视为亮出，即对应像素的“开态”,用数字“1”表示。此时期间表面经过反射可产生空间的振幅分布，便于通过后续调制手段应用于太赫兹图像产生，产生反射电磁强度或能量空间分布，并经过探测器接受获得个像素点明暗分布不一致的图样图案，实现对太赫兹波前的空间振幅调制。
在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
