基于納米印刷技術的雙螺旋太赫茲可調超表面*

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) (南開大學現代光學研究所,天津市微尺度光學信息技術科學重點實驗室,天津 300350)

2) (中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所,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良特性,太赫茲在寬帶通信[2-4]、醫學成像[5-7]、無損檢測[8-10]等領域有著巨大應用價值.超表面作為一種集成化的人工周期陣列結構,其電磁特性可以通過結構單元的幾何設計和材料選擇進行定制,從而實現自然界不具備的電磁特性,突破了太赫茲器件的設計局限,推動了太赫茲科學的飛速發展.通過超表面技術在太赫茲頻段已經實現了完美吸收器[11,12]、超透鏡[13,14]與超波導[15,16]等高性能器件.

近年來,能夠實現主動控制的可調超表面逐漸被學界所重視,而不依賴于復雜調控設備的旋轉調諧是實現器件簡單化、輕量化的重要方式之一.2016 年,Yachin 等[17]研發了一種交叉金屬帶狀結構的超表面,可通過旋轉在22—38 GHz 頻段實現濾波.2017 年,一種旋轉重構的超表面天線被Pramodh Kumar 團隊所設計,可用于無人駕駛飛行器[18].同年,Chen 等[19]設計了一種H 型超表面,通過旋轉可激發大范圍、可控的梯度色散特性.同年,Sun 等[20]提出了旋轉中產生“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時產生的復頻效應,Tournat 團隊[21]做了相關的理論解釋.2020 年,程進等[22]基于可調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]基于旋轉超表面產生了貝塞爾光束,并具備寬帶調制的特點.夏雨等[24]利用機械旋轉的可重構超表面設計了一款電磁開關,在5.8 GHz 處增益提高2.7 dBi.

但是,大多數太赫茲可調超表面對可見光不透明,限制了特定環境下的應用,也不利于光路搭建、光學對準等環節,并且目前仍舊缺少能夠大面積規模制造的技術方案.因此,本文采用一種納米銀顆粒印刷技術制備出超薄、柔性、可見光透明的太赫茲超表面,并基于其構建了一款旋轉可調濾波器.通過三維全波電磁仿真發現,固定太赫茲波入射方向,每隔15°旋轉雙螺旋超表面一次,其太赫茲透射率規律變化.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90°后,該濾波器在0.52 THz 處的透射率由8%增至67%,調制深度88%;在0.92 THz 處的透射率由68%降至3%,調制深度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合,提出了圖1(a)所示的用于制備柔性超表面的印刷術.首先,基于光致抗蝕結構[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)所示的結構;隨后,將納米銀顆粒填入溝槽內,并在150 ℃下燒結15 min,得到步驟(III)中的雙層鑲嵌結構,初步制備出超表面樣品;最后經過拋光打磨,得到步驟(IV)所示的超表面結構.該印刷技術的優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,相當于兩張普通A4 紙的厚度.超薄的特性讓樣品的單位面積質量很輕,一片10 cm×10 cm 的樣品質量僅為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,可輕易實現大幅度彎曲,這為共形應用奠定了基礎.此外,由于金屬結構線條寬度僅有10 μm,遠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,通過單個微結構內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是超表面結構單元的總面積,Aline是超表面結構單元中金屬線條的所占面積.

可調超表面的調諧方式通常采用光[29]、磁[30]或溫度[31]激勵,這些激勵往往需要較復雜的調諧程序和控制設備.為了簡化調諧手段,設計了一種雙螺旋對稱結構,圖2(a)則展示了3×3 的超表面單元陣列.如圖2(b)所示,其螺旋結構的外層長為156 μm,寬為69 μm,內層長為116 μm,寬為28 μm,UV 膠圖層與金屬鑲嵌結構厚10 μm,PET 材料厚200 μm.設計成此種形式的一個重要原因就是雙螺旋結構能夠形成特定透射區域.隨著超表面的旋轉,雙螺旋結構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,通過結構的優化設計,這種超表面材料可通過旋轉實現太赫茲透射強度調控.

接下來基于該雙螺旋超表面設計了一款旋轉可調濾波器.如圖2(c)為濾波器設計示意圖,首先采用三維設計軟件設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,實現旋轉可調功能.考慮到3D 打印技術的靈活性和高精度,夾持套圈和刻度底板都由3D 打印完成,采用的打印設備為Snapmaker A250,打印精度0.1 mm.圖2(d)展示了由3D 打印技術制造出來的實物,將超表面固定后,參照內部套圈上每隔15°所標注的刻度,可以固定太赫茲波入射方向,對超表面樣品進行定量的旋轉,從而實現太赫茲波的調制.

圖2 雙螺旋結構與旋轉可調濾波器 (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

由于超表面的結構相較于一般的微結構更為復雜,其電磁響應特性難以用常規的理論計算進行解析.而隨著物理場模擬算法的發展,CST MICROWAVE STUDIO (CST),COMSOL 等仿真軟件已經可以實現對于超表面電磁響應特性的精確仿真.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參數求解電磁響應并分析調制性能,即通過代表透射傳輸系數的S參數S21,求得超表面在太赫茲頻段的透射率Tsimulation:

考慮這種結構的左右對稱性,旋轉角度超過90°后將會產生周期重復結果,因此僅在0°—90°范圍內進行旋轉.在圖3(a)中,展示了0°—90°的旋轉區間內,隨著超表面結構旋轉角度的增大,每隔15°的透射率曲線變化規律,即隨著90°的旋轉,透射譜線出現大幅度變化.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可調的特性,能夠通過簡單的旋轉來實現對太赫茲透射率的有效調控.

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

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

其中,tyx表示交叉極化透射系數,txx表示同極化透射系數.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tyx與交叉極化率透射系數txx.故可根據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,其偏振態不發生變化.

圖4 偏振仿真結果 (a) 透射系數;(b)偏振轉化率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 中添加遠場監視器并將遠場結果設置為圓極化模式,可以對螺旋結構所具備的圓二色性進行分析,如圖5 所示.圖5(a)展示了雙螺旋結構處于0°時對于0.92 THz 的左旋、右旋極坐標曲線,可以發現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)展示了雙螺旋結構處于90°時對于0.92 THz 的左旋、右旋極坐標曲線,可以發現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)則展示了單螺旋結構對于0.92 THz 的左旋、右旋極坐標曲線,可以發現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,單螺旋結構具有一定的圓二色性,雙螺旋結構因其對稱性而不具有圓二色性.

圖5 螺旋結構圓二色性 (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 THz-TDS(THz time domain spectroscopy)對基于雙螺旋超表面的可調濾波器進行驗證,通過調節夾持套圈對準底板刻度對超表面結構在不同旋轉角度時的太赫茲透射率進行測量,圖6 為太赫茲時域光譜系統及旋轉濾波器的示意圖.飛秒激光器通過太赫茲輻射天線發射的太赫茲波,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.系統通過一組反射鏡向遠處移動而產生的延時,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度,固定太赫茲波入射方向,將濾波器每15°旋轉一次,測量通過不同旋轉角度濾波器的太赫茲波強度,二者相比即是太赫茲波對于雙螺旋超表面結構的透射率Tmeasurement.

圖6 THz-TDS 系統驗證旋轉可調濾波器示意圖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吸收[32].根據水在太赫茲波段的光學常數[33],通過比爾·朗伯定律對測量結果進行了補償,最終的結果與CST 仿真結果基本一致.如圖7(a)所示,隨著旋轉角度的增大,可以清晰地觀察到調諧的變化規律.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90°后太赫茲波在0.52 THz 與0.92 THz 處的調制深度較高:0.52 THz 處透射率由8%增至67%,調制深度88%,而0.92 THz 處的調制深度96%.

圖7 THz-TDS 系統測量結果 (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°的測量結果與CST 仿真結果圖3對比,可以發現兩者吻合較好,雖然稍有頻移誤差和強度誤差,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) 環境中的水蒸汽對于太赫茲波傳輸的損耗.

接下來重點分析旋轉濾波器在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行驗證[34].因此,可根據S參數反演法基于等效模型的傳輸矩陣求解雙螺旋超表面結構的等效阻抗Z:

(4)式所得到的等效阻抗是具有實部和虛部的復阻抗.當實部Re(Z)接近于1,且虛部Im(Z)接近于0 時,與自由空間的復阻抗Z0=1+0 j 接近,使得入射的太赫茲波與超表面結構形成良好的阻抗匹配,故該頻率處透射率較高.反之,當復阻抗的實部Re(Z)趨近于0 抑或遠大于1 時,當虛部Im(Z)遠離于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.可以發現,經過90°的旋轉后,0.5 THz 與0.9 THz 附近S11和S21曲線的高低相對位置互換,故導致了旋轉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計算該超表面結構的等效阻抗,以解釋旋轉90°后的透射率變化.

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

圖9 展示了根據(4)式計算得到的雙螺旋超表面結構在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.由于超表面結構90°的改變,其對太赫茲波的透射特性發生了變化,促使在0°與90°時出現透射率急劇上升或降低的現象,進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 結論

本文采用銀納米顆粒印刷技術制備出一種超薄、柔性、透明的雙螺旋結構太赫茲超表面,并基于其構建了一款旋轉可調濾波器,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,旋轉該超表面結構,太赫茲透射率規則變化.在旋轉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%,調制深度88%;在0.92 THz 處由68%降至3%,調制深度96%.基于此超表面構建的旋轉調諧濾波器調諧方式極為簡便,無需額外的復雜調控設備.我們相信該超表面結構在太赫茲波的調制、濾波與開關等方面將具有良好的應用前景;而納米印刷技術所帶來的超薄、柔性、可見光透明等特殊性質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.