基于納米印刷技術(shù)的雙螺旋太赫茲可調(diào)超表面*

于博 莊書磊 王正心 王曼詩 郭蘭軍 李鑫煜 郭文瑞 蘇文明? 龔誠? 劉偉偉

1) (南開大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)研究所,天津市微尺度光學(xué)信息技術(shù)科學(xué)重點實驗室,天津 300350)

2) (中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所,蘇州 215123)

1 引言

太赫茲波指頻率處于0.1—10 THz 范圍,波長介于30 μm—3 mm 之間的電磁波,屬于遠(yuǎn)紅外和亞毫米波范疇[1].因為具有低光子能量、大帶寬、可穿透非極性材料等優(yōu)良特性,太赫茲在寬帶通信[2-4]、醫(yī)學(xué)成像[5-7]、無損檢測[8-10]等領(lǐng)域有著巨大應(yīng)用價值.超表面作為一種集成化的人工周期陣列結(jié)構(gòu),其電磁特性可以通過結(jié)構(gòu)單元的幾何設(shè)計和材料選擇進(jìn)行定制,從而實現(xiàn)自然界不具備的電磁特性,突破了太赫茲器件的設(shè)計局限,推動了太赫茲科學(xué)的飛速發(fā)展.通過超表面技術(shù)在太赫茲頻段已經(jīng)實現(xiàn)了完美吸收器[11,12]、超透鏡[13,14]與超波導(dǎo)[15,16]等高性能器件.

近年來,能夠?qū)崿F(xiàn)主動控制的可調(diào)超表面逐漸被學(xué)界所重視,而不依賴于復(fù)雜調(diào)控設(shè)備的旋轉(zhuǎn)調(diào)諧是實現(xiàn)器件簡單化、輕量化的重要方式之一.2016 年,Yachin 等[17]研發(fā)了一種交叉金屬帶狀結(jié)構(gòu)的超表面,可通過旋轉(zhuǎn)在22—38 GHz 頻段實現(xiàn)濾波.2017 年,一種旋轉(zhuǎn)重構(gòu)的超表面天線被Pramodh Kumar 團(tuán)隊所設(shè)計,可用于無人駕駛飛行器[18].同年,Chen 等[19]設(shè)計了一種H 型超表面,通過旋轉(zhuǎn)可激發(fā)大范圍、可控的梯度色散特性.同年,Sun 等[20]提出了旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生“超表面混響室”的理論概念.2019 年,對于一種非線性方形超表面旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的復(fù)頻效應(yīng),Tournat 團(tuán)隊[21]做了相關(guān)的理論解釋.2020 年,程進(jìn)等[22]基于可調(diào)超表面提出了激光散斑抑制方法及激光抑制器,可降低對比度至2.63%.2021 年,于洋等[23]基于旋轉(zhuǎn)超表面產(chǎn)生了貝塞爾光束,并具備寬帶調(diào)制的特點.夏雨等[24]利用機(jī)械旋轉(zhuǎn)的可重構(gòu)超表面設(shè)計了一款電磁開關(guān),在5.8 GHz 處增益提高2.7 dBi.

但是,大多數(shù)太赫茲可調(diào)超表面對可見光不透明,限制了特定環(huán)境下的應(yīng)用,也不利于光路搭建、光學(xué)對準(zhǔn)等環(huán)節(jié),并且目前仍舊缺少能夠大面積規(guī)模制造的技術(shù)方案.因此,本文采用一種納米銀顆粒印刷技術(shù)制備出超薄、柔性、可見光透明的太赫茲超表面,并基于其構(gòu)建了一款旋轉(zhuǎn)可調(diào)濾波器.通過三維全波電磁仿真發(fā)現(xiàn),固定太赫茲波入射方向,每隔15°旋轉(zhuǎn)雙螺旋超表面一次,其太赫茲透射率規(guī)律變化.通過等效阻抗理論分析及太赫茲時域光譜實驗驗證得到:旋轉(zhuǎn)90°后,該濾波器在0.52 THz 處的透射率由8%增至67%,調(diào)制深度88%;在0.92 THz 處的透射率由68%降至3%,調(diào)制深度96%.

2 原理與制備

不同于電子束曝光[25]、離子束刻蝕[26]、激光加工[27]等常見超表面制備方法,將鎳模具電鍍與納米銀顆粒印刷相結(jié)合,提出了圖1(a)所示的用于制備柔性超表面的印刷術(shù).首先,基于光致抗蝕結(jié)構(gòu)[28]的電鍍方法,得到步驟(I)中用于印制超表面幾何圖形的鎳模具;再將鎳磨具壓印在200 μm 厚的PET(polyethylene glycol terephthalate)基底與10 μm 厚的UV(ultraviolet rays)膠圖層上,得到如步驟(II)所示的結(jié)構(gòu);隨后,將納米銀顆粒填入溝槽內(nèi),并在150 ℃下燒結(jié)15 min,得到步驟(III)中的雙層鑲嵌結(jié)構(gòu),初步制備出超表面樣品;最后經(jīng)過拋光打磨,得到步驟(IV)所示的超表面結(jié)構(gòu).該印刷技術(shù)的優(yōu)點是可大面積制備透明、柔性的高精度樣品.

本文所制備的超表面樣品如圖1(b)所示,樣品的單層厚度約為200 μm,相當(dāng)于兩張普通A4 紙的厚度.超薄的特性讓樣品的單位面積質(zhì)量很輕,一片10 cm×10 cm 的樣品質(zhì)量僅為4.7 g,有助于太赫茲器件的輕量化.樣品也具有良好的柔性,可輕易實現(xiàn)大幅度彎曲,這為共形應(yīng)用奠定了基礎(chǔ).此外,由于金屬結(jié)構(gòu)線條寬度僅有10 μm,遠(yuǎn)小于線條之間的間隔,因此可見光能夠良好透過.如 (1) 式所示,通過單個微結(jié)構(gòu)內(nèi)線條面積占總面積的比例,可計算出超表面的可見光透過率Tvisible超過70%:

圖1 納米銀印刷超表面 (a) 制備過程;(b) 樣品Fig.1.Nano-printing metasurface:(a) Preparation process;(b) sample.

其中,Atotal是超表面結(jié)構(gòu)單元的總面積,Aline是超表面結(jié)構(gòu)單元中金屬線條的所占面積.

可調(diào)超表面的調(diào)諧方式通常采用光[29]、磁[30]或溫度[31]激勵,這些激勵往往需要較復(fù)雜的調(diào)諧程序和控制設(shè)備.為了簡化調(diào)諧手段,設(shè)計了一種雙螺旋對稱結(jié)構(gòu),圖2(a)則展示了3×3 的超表面單元陣列.如圖2(b)所示,其螺旋結(jié)構(gòu)的外層長為156 μm,寬為69 μm,內(nèi)層長為116 μm,寬為28 μm,UV 膠圖層與金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)厚10 μm,PET 材料厚200 μm.設(shè)計成此種形式的一個重要原因就是雙螺旋結(jié)構(gòu)能夠形成特定透射區(qū)域.隨著超表面的旋轉(zhuǎn),雙螺旋結(jié)構(gòu)相對入射光偏振方向的有效間隙改變,透射特性也隨之改變.因此,通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計,這種超表面材料可通過旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)太赫茲透射強(qiáng)度調(diào)控.

接下來基于該雙螺旋超表面設(shè)計了一款旋轉(zhuǎn)可調(diào)濾波器.如圖2(c)為濾波器設(shè)計示意圖,首先采用三維設(shè)計軟件設(shè)計了超表面的雙層夾持套圈和刻度底板;然后將超表面夾持并固定在套圈上;最后將夾持有超表面的套圈插入可滑動刻度底板,實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)可調(diào)功能.考慮到3D 打印技術(shù)的靈活性和高精度,夾持套圈和刻度底板都由3D 打印完成,采用的打印設(shè)備為Snapmaker A250,打印精度0.1 mm.圖2(d)展示了由3D 打印技術(shù)制造出來的實物,將超表面固定后,參照內(nèi)部套圈上每隔15°所標(biāo)注的刻度,可以固定太赫茲波入射方向,對超表面樣品進(jìn)行定量的旋轉(zhuǎn),從而實現(xiàn)太赫茲波的調(diào)制.

圖2 雙螺旋結(jié)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)可調(diào)濾波器 (a) 3×3 單元陣列示意圖;(b) 單元尺寸;(c)濾波器示意圖;(d) 濾波器實物圖Fig.2.Double-spiral structure and rotating tunable filter:(a) 3×3 cell array;(b) cell size;(c) schematic diagram of the filter;(d) picture of the filter.

3 仿真與分析

由于超表面的結(jié)構(gòu)相較于一般的微結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜,其電磁響應(yīng)特性難以用常規(guī)的理論計算進(jìn)行解析.而隨著物理場模擬算法的發(fā)展,CST MICROWAVE STUDIO (CST),COMSOL 等仿真軟件已經(jīng)可以實現(xiàn)對于超表面電磁響應(yīng)特性的精確仿真.本文通過三維電磁仿真軟件CST,模擬線偏振太赫茲波透射超表面的過程,由水平方向入射與出射偏振組合下的S參數(shù)求解電磁響應(yīng)并分析調(diào)制性能,即通過代表透射傳輸系數(shù)的S參數(shù)S21,求得超表面在太赫茲頻段的透射率Tsimulation:

考慮這種結(jié)構(gòu)的左右對稱性,旋轉(zhuǎn)角度超過90°后將會產(chǎn)生周期重復(fù)結(jié)果,因此僅在0°—90°范圍內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn).在圖3(a)中,展示了0°—90°的旋轉(zhuǎn)區(qū)間內(nèi),隨著超表面結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)角度的增大,每隔15°的透射率曲線變化規(guī)律,即隨著90°的旋轉(zhuǎn),透射譜線出現(xiàn)大幅度變化.在圖3(b)中,展示了0°與90°的透射率:0.46 THz 處透射率從68%降低到37%,0.56 THz 處透射率從1%增大到29%,0.92 THz 處透射率從72%降低至9%.由此可見,該類型超表面具有旋轉(zhuǎn)可調(diào)的特性,能夠通過簡單的旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)對太赫茲透射率的有效調(diào)控.

圖3 旋轉(zhuǎn)仿真結(jié)果 (a) 0°—90°;(b) 0°與90°Fig.3.The simulation results of rotations:(a) 0°—90°;(b) 0°and 90°.

此外,偏振轉(zhuǎn)換率 (polarization conversion efficiency,PCR),通常用于描述偏振轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換效率,可定義為

其中,tyx表示交叉極化透射系數(shù),txx表示同極化透射系數(shù).圖4(a)展示了通過仿真得到的該雙螺旋超表面同極化率透射系數(shù)tyx與交叉極化率透射系數(shù)txx.故可根據(jù)tyx與txx,計算出其PCR,如圖4(b)所示.由于雙螺旋超表面的PCR 在該頻段接近于0,因此在水平方向線偏振太赫茲波透射過程中,其偏振態(tài)不發(fā)生變化.

圖4 偏振仿真結(jié)果 (a) 透射系數(shù);(b)偏振轉(zhuǎn)化率Fig.4.The simulation results of polarization:(a) Transmission coefficient;(b) polarization conversion efficiency.

超表面的圓二色性是指其左旋圓極化、右旋圓極化透射率的差別.通過在CST 中添加遠(yuǎn)場監(jiān)視器并將遠(yuǎn)場結(jié)果設(shè)置為圓極化模式,可以對螺旋結(jié)構(gòu)所具備的圓二色性進(jìn)行分析,如圖5 所示.圖5(a)展示了雙螺旋結(jié)構(gòu)處于0°時對于0.92 THz 的左旋、右旋極坐標(biāo)曲線,可以發(fā)現(xiàn)上圖的左旋曲線與下圖右旋曲線相一致,說明其不具有圓二色性.圖5(b)展示了雙螺旋結(jié)構(gòu)處于90°時對于0.92 THz 的左旋、右旋極坐標(biāo)曲線,可以發(fā)現(xiàn)上圖的左旋曲線與下圖右旋曲線相一致,說明其不具有圓二色性.圖5(c)則展示了單螺旋結(jié)構(gòu)對于0.92 THz 的左旋、右旋極坐標(biāo)曲線,可以發(fā)現(xiàn)上圖的左旋曲線與下圖右旋曲線不同,說明其具有圓二色性.因此,單螺旋結(jié)構(gòu)具有一定的圓二色性,雙螺旋結(jié)構(gòu)因其對稱性而不具有圓二色性.

圖5 螺旋結(jié)構(gòu)圓二色性 (a) 0°;(b) 90°;(c) 單螺旋Fig.5.Circular dichroism of spiral structure:(a) 0°;(b) 90°;(c) single spiral.

4 實驗與分析

利用太赫茲時域光譜系統(tǒng) THz-TDS(THz time domain spectroscopy)對基于雙螺旋超表面的可調(diào)濾波器進(jìn)行驗證,通過調(diào)節(jié)夾持套圈對準(zhǔn)底板刻度對超表面結(jié)構(gòu)在不同旋轉(zhuǎn)角度時的太赫茲透射率進(jìn)行測量,圖6 為太赫茲時域光譜系統(tǒng)及旋轉(zhuǎn)濾波器的示意圖.飛秒激光器通過太赫茲輻射天線發(fā)射的太赫茲波,被一個離軸拋物鏡反射到濾波器上.太赫茲輻射在通過濾波器后,被第二個離軸拋物鏡反射并聚焦到接收端的天線上.系統(tǒng)通過一組反射鏡向遠(yuǎn)處移動而產(chǎn)生的延時,得到時域光譜,再通過傅里葉變換得到頻域光譜.首先測量通過空氣的太赫茲強(qiáng)度,固定太赫茲波入射方向,將濾波器每15°旋轉(zhuǎn)一次,測量通過不同旋轉(zhuǎn)角度濾波器的太赫茲波強(qiáng)度,二者相比即是太赫茲波對于雙螺旋超表面結(jié)構(gòu)的透射率Tmeasurement.

圖6 THz-TDS 系統(tǒng)驗證旋轉(zhuǎn)可調(diào)濾波器示意圖Fig.6.Schematic diagram of verifying the rotating tunable filter by THz-TDS.

考慮到超表面樣品中所含有的10 μm 厚的親水性UV 膠圖層,而水分子對于太赫茲波具有較強(qiáng)吸收[32].根據(jù)水在太赫茲波段的光學(xué)常數(shù)[33],通過比爾·朗伯定律對測量結(jié)果進(jìn)行了補償,最終的結(jié)果與CST 仿真結(jié)果基本一致.如圖7(a)所示,隨著旋轉(zhuǎn)角度的增大,可以清晰地觀察到調(diào)諧的變化規(guī)律.其中0.46 THz 處透射率從79%降低到60%,0.56 THz 處透射率從14%增長到54%,0.92 THz處透射率從68%降低至3%.如圖7(b)所示,旋轉(zhuǎn)90°后太赫茲波在0.52 THz 與0.92 THz 處的調(diào)制深度較高:0.52 THz 處透射率由8%增至67%,調(diào)制深度88%,而0.92 THz 處的調(diào)制深度96%.

圖7 THz-TDS 系統(tǒng)測量結(jié)果 (a) 0°—90°;(b) 0°與90°Fig.7.THz-TDS system measurement results:(a) 0°—90°;(b) 0° and 90°.

將0°與90°的測量結(jié)果與CST 仿真結(jié)果圖3對比,可以發(fā)現(xiàn)兩者吻合較好,雖然稍有頻移誤差和強(qiáng)度誤差,但變化趨勢基本一致.造成誤差的主要原因是:1)超表面樣品制備加工的精度;2) 環(huán)境中的水蒸汽對于太赫茲波傳輸?shù)膿p耗.

接下來重點分析旋轉(zhuǎn)濾波器在0°與90°時透射率變化的原因.考慮到超表面對于太赫茲波透射率的高低可以通過等效阻抗進(jìn)行驗證[34].因此,可根據(jù)S參數(shù)反演法基于等效模型的傳輸矩陣求解雙螺旋超表面結(jié)構(gòu)的等效阻抗Z:

(4)式所得到的等效阻抗是具有實部和虛部的復(fù)阻抗.當(dāng)實部Re(Z)接近于1,且虛部Im(Z)接近于0 時,與自由空間的復(fù)阻抗Z0=1+0 j 接近,使得入射的太赫茲波與超表面結(jié)構(gòu)形成良好的阻抗匹配,故該頻率處透射率較高.反之,當(dāng)復(fù)阻抗的實部Re(Z)趨近于0 抑或遠(yuǎn)大于1 時,當(dāng)虛部Im(Z)遠(yuǎn)離于0 時,阻抗不匹配,太赫茲波被大幅度反射,超表面對該頻率太赫茲波的透射率較低.

如圖8 所示,采用CST 仿真得到0°與90°時的參數(shù)S11和S21.在超表面處于0°時,0.55 THz附近處S11＞S21,0.9 THz 附近處S21＞S11.在超表面處于90°時,0.45 THz 附近處S21＞S11,0.9 THz附近處S11＞S21.可以發(fā)現(xiàn),經(jīng)過90°的旋轉(zhuǎn)后,0.5 THz 與0.9 THz 附近S11和S21曲線的高低相對位置互換,故導(dǎo)致了旋轉(zhuǎn)90°后兩處透射率的大幅變化.接下來,由(4)式通過0°與90°時的兩組S11與S21計算該超表面結(jié)構(gòu)的等效阻抗,以解釋旋轉(zhuǎn)90°后的透射率變化.

圖8 超表面的S 參數(shù) (a) 0°;(b) 90°Fig.8.S parameter of the metasurface:(a) 0°;(b) 90°.

圖9 展示了根據(jù)(4)式計算得到的雙螺旋超表面結(jié)構(gòu)在0°與90°時對于0.4—1.0 THz 頻段太赫茲波的等效阻抗曲線.0°時如圖9(a)所示,超表面等效復(fù)阻抗在0.56 THz 處實部趨近于0,故透射率較低;在0.92 THz 處實部接近于1 且虛部接近于0,故透射率較高.90°時如圖9(b)所示,超表面等效復(fù)阻抗在0.46 THz 處實部接近于1 且虛部趨近于0,故透射率較高;在0.92 THz 處實部趨近于0,故透射率較低.由于超表面結(jié)構(gòu)90°的改變,其對太赫茲波的透射特性發(fā)生了變化,促使在0°與90°時出現(xiàn)透射率急劇上升或降低的現(xiàn)象,進(jìn)一步驗證了仿真及實驗的正確性.

圖9 超表面的等效阻抗 (a) 0°;(b) 90°Fig.9.Equivalent impedance of the metasurface:(a) 0°;(b) 90°.

5 結(jié)論

本文采用銀納米顆粒印刷技術(shù)制備出一種超薄、柔性、透明的雙螺旋結(jié)構(gòu)太赫茲超表面,并基于其構(gòu)建了一款旋轉(zhuǎn)可調(diào)濾波器,整體厚度在200 μm左右,可見光透過率超過70%.在固定太赫茲波入射方向后,旋轉(zhuǎn)該超表面結(jié)構(gòu),太赫茲透射率規(guī)則變化.在旋轉(zhuǎn)90°后,太赫茲波對于超表面樣品的透射率在0.52 THz 處由8%增至67%,調(diào)制深度88%;在0.92 THz 處由68%降至3%,調(diào)制深度96%.基于此超表面構(gòu)建的旋轉(zhuǎn)調(diào)諧濾波器調(diào)諧方式極為簡便,無需額外的復(fù)雜調(diào)控設(shè)備.我們相信該超表面結(jié)構(gòu)在太赫茲波的調(diào)制、濾波與開關(guān)等方面將具有良好的應(yīng)用前景;而納米印刷技術(shù)所帶來的超薄、柔性、可見光透明等特殊性質(zhì)將為特定場合的使用帶來便利,有利于太赫茲器件的小型化、輕量化及大面積制備.