【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电磁超构材料，具体涉及一种太赫兹可控定量切换双功能手性超构表面。
技术介绍
1、太赫兹波是位于微波、毫米波和红外、可见光之间，频率范围在0.1-10thz、对应波长在3mm-30μm范围内的的电磁波，该波段能够提供比毫米波波段更高的数据传输速率。超构表面为超构材料的二维等价物，是一种特殊的人工复合结构，其由亚波长结构单元有序排列而成，由于奇特的性质，可以应用于设计太赫兹微型功能器件，实现体积小、宽带宽和低损耗的优点。
2、目前，通过对传统超构表面进行优化，已经设计出了一些具有高极化转换率的极化转换器和高吸收率的吸波器，但其均专注于极化转换或吸收的单一功能，且结构一旦制作成功，功能将无法改变，限制了超构表面的多样性。因此，具有动态可调特性的太赫兹极化转换器逐渐成为人们的研究热点。
3、近年来，研究者们将超构表面与手性相结合并发展成为全新的研究方向，具有很高的应用潜力和应用价值。所谓手性，指的是物体不能通过平移和旋转等操作将其与镜像中的物体重合的性质。目前的研究发现基于手性结构的超构表面存在仅能实现单一功能，无法同时在工作频带内同时实现调控极化转换和吸收之间的功能切换。在太赫兹电磁工作领域内缺少不通过改变超构表面单元结构而同时实现极化转换和吸波双功能可切换，并在两种功能下的使效率和相对带宽保持在较高水平。在设计结构图案时引入活性材料，如石墨烯、二氧化钒和光敏硅等，在同一手性超构表面单元结构内同时实现高极化转换率和高吸收率仍是目前电磁波超构表面领域的研究重点和难点。但是目前其也存在以下问题：(1)
技术实现思路
1、本专利技术针对太赫兹超构表面的结构一旦固定，仅可以单一功能，无法动态调节实现多功能切换以满足实际需求、无法实现极化转换和吸收的定量控制和极化转化率和吸收率均与实际存在一定差异等问题，提出一种太赫兹动态可切换双功能手性超构表面。通过调节二氧化钒的电导率数值，实现极化转换器和吸波器两种功能之间的自由切换，同时通过改变石墨烯的费米能级来调节极化转换和吸收的效率和相对带宽。
2、为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
3、一种太赫兹动态可切换双功能手性超构表面，其结构包括四层：由顶层至底层依次为：s形石墨烯薄膜，一组对角连接的二氧化钒方环和手性双箭头对角连接的金属片结合的复合谐振图案、硅介质层和底层金属板。所述单元结构在o-xyz坐标系中沿x和y方向进行周期性排布形成超表面微结构，o为坐标原点。
4、根据本专利技术所述的可切换双功能手性超构表面设计方法，所述s形石墨烯薄膜附着于复合谐振图案上。
5、根据本专利技术所述的可切换双功能手性超构表面设计方法，所述复合谐振图案和底层金属板分别贴合于介质层的上下表面。
6、根据本专利技术所述的可切换双功能手性超构表面设计方法，所述二氧化钒方环和双箭头对角连接的金属片构成手性结构。
7、根据本专利技术所述的可切换双功能手性超构表面设计方法，所述介质层采用介电常数为11.56的硅介质基板。
8、根据本专利技术所述的可切换双功能手性超构表面设计方法，所述金属片和底层金属板的材料均采用电导率为4.5×107s/m的金薄膜。
9、根据本专利技术所述的可切换双功能手性超构表面设计方法，所述二氧化钒方环可通过改变电导率数值实现由绝缘态到金属态的可逆转变，其电导率可随外界温度发生改变，温度低于68℃，呈绝缘态，其电导率为10s/m；温度大于或等于68℃，呈金属态，其电导率为2×105s/m。
10、根据本专利技术所述的可切换双功能手性超构表面设计方法，所述s形石墨烯薄膜的电导率模型由kubo公式表示：
11、
12、其中，σ表示电导率，下标graphene表示石墨烯，ω表示角频率，σgraphene(ω)表示石墨烯电导率。e、γ和kb分别表示电子电量、与能量无关的散射率和玻尔兹曼常数，t、和ef分别为工作时的环境温度、约化普朗克常数和费米能级。
13、根据本专利技术所述的可切换双功能手性超构表面设计方法，所述二氧化钒在太赫兹波段的介电常数可以用如下模型表示：
14、
15、其中，ε表示相对介电常数，vo2表示二氧化钒，表示二氧化钒的相对介电常数，k表示二氧化钒在金属态时的体积分数，下标insulating表示绝缘态，εinsulating表示二氧化钒绝缘态的相对介电常数，下标metallic表示金属态，εmetallic表示二氧化钒金属态的相对介电常数，在太赫兹频率下介电混合行为并不依赖于频率，并且它不受εinsulating和εmetallic的显著影响，在本专利技术中二氧化钒的介电常数为恒定值，与环境温度t相关的vo2中金属微粒的体积分数获得方法如下：
16、
17、其中，t0表示相变温度，相变温度可以通过掺杂进行调控，但对本专利技术的模拟结果没有影响，这里按照无掺杂的情况进行研究，设置t0＝68℃。另外在二氧化钒的相变过程中，升温过程与降温过程并不完全同步，其间存在一个迟滞过程，式中通过δt进行体现，δt＝2℃。
18、根据本专利技术所述的可切换双功能手性超构表面设计方法，所述超构表面的极化转换率ξ满足：
19、
20、其中，ξ0表示极化转换率均值，τ表示为极化转换率相对误差。
21、根据本专利技术所述的可切换双功能手性超构表面设计方法，所述超构表面的极化转换率ξ的获得方法为：
22、
23、其中，rxy表示电磁波沿坐标y轴方向极化入射后转换成x轴方向极化反射形成的交叉极化反射系数，ryy表示电磁波沿y轴方向极化入射后转换成y轴方向极化反射形成的共极化反射系数，二者获得方法可表示如下，
24、
25、其中，i表示入射波，r表示反射波，表示反射电场沿坐标轴x方向的电场分量，表示入射电场沿坐标轴y方向的电场分量，表示反射电场沿坐标轴y方向的电场分量。将坐标轴x、y逆时针旋转45°分别得到u、v轴。表示相位，m表示交叉极化反射系数在工作带宽内的任意一频点，n表示共极化反射系数在工作带宽内的任意一频点。和分别表示在任意频点m处沿u和v轴方向的反射相位。和分别表示在任意频点n处沿u和v轴方向的反射相位。
26、则所述超构表面极化转换率ξ表示为：
27、
28、进一步地，所述超构表面极化转换率ξ可通过极化转换率误差控制函表示为：
29、
30、进而得到超构表面极化转换率控制模型f(ξ):
31、
32、其中，j表示极化转换超表面在工作带宽内随机频率采样点数，q1和q2分别表示交叉极化反射和共极化反射工作频率起始值，g1和g2分别表示交叉极化反射和共极化反射工作频率终值。
33、根据本专利技术所述的可切换双功能手性超构表面设计方法，所述超构表面的本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种太赫兹定量可控可切换双功能手性超构表面，其主要特征在于：
2.根据权利要求1所述的太赫兹动态可切换双功能手性超构表面，其主要特征在于：
3.根据权利要求1至2所述的太赫兹动态可切换双功能手性超构表面，其主要特征在于：
4.根据权利要求1至3所述的太赫兹动态可切换双功能手性超构表面，其主要特征在于：
5.根据权利要求1至4所述的太赫兹动态可切换双功能手性超构表面，其主要特征在于：
6.根据权利要求1至5所述的太赫兹动态可切换双功能手性超构表面，其主要特征在于：
7.根据权利要求1至6所述的太赫兹动态可切换双功能手性超构表面，其主要特征在于：
【技术特征摘要】
1.一种太赫兹定量可控可切换双功能手性超构表面，其主要特征在于：
2.根据权利要求1所述的太赫兹动态可切换双功能手性超构表面，其主要特征在于：
3.根据权利要求1至2所述的太赫兹动态可切换双功能手性超构表面，其主要特征在于：
4.根据权利要求1至3所述的太赫兹动态可切换双功能...
【专利技术属性】
技术研发人员：韩连福，周海燕，孔祥宇，牛智博，付长凤，朱培逸，范伟，于树发，张易成，居佳欣，李政烨，
申请(专利权)人：常熟理工学院，
类型：发明
国别省市：
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