可调谐太赫兹波极化旋转的柔性超材料及其使用方法
技术领域
本发明涉及一种超材料及其使用方法。
背景技术
极化作为电磁波的一种固有特性，在光学成像、生命科学显微镜和多路光通信等领域发挥着重要作用。通过偏振变换或偏振旋转可有效地操纵偏振方向。极化转换通常可通过各向异性的材料或结构来实现，而极化旋转通常依赖于法拉第效应。光栅和光子晶体也被提出用于偏振方向控制。近年来，超材料被提出作为操纵电磁波的振幅、相位延迟和极化的有效手段。这种操作高度依赖于超材料单元分子的几何结构。通过适当的单元分子设计，实现了有前景的应用，包括光束转向，衍射限制聚焦和全息成像等。
发明内容
超材料的极化转换主要依赖于超材料单元分子的各向异性，而极化旋转通常通过手性结构的单元分子实现。为了在实际应用中有效地控制偏振，本发明提供了可调谐太赫兹波极化旋转的柔性超材料及其使用方法。
本发明可调谐太赫兹波极化旋转的柔性超材料，包括衬底和微通道层，微通道层分为第一微通道层和第二微通道层，第二微通道层位于衬底和第一微通道层之间；
第一微通道层为柔性材料；第一微通道层包括主微通道，主微通道为N条，等间距横向平行排列；主微通道内填充液态金属；每条主微通道均由M个相同的微通道单元等距离连通组成，微通道单元为手性结构；
第二微通道层中有等间距纵向平行排列的M条宽微通道，宽微通道相互连通；宽微通道的宽度与微通道单元宽度相同；宽微通道内填充液体溶液；液体溶液入口和液体溶液出口分别与宽微通道相连通。
上述可调谐太赫兹波极化旋转的柔性超材料的使用方法，其特征在于打开液体溶液入口和液体溶液出口，将液体溶液注入宽微通道；待液体溶液注满宽微通道后关闭液体溶液出口，继续注入液体溶液直至第一微通道层变形突起，形成波浪状非平面，为非平面态；
液体溶液未将第一微通道层顶起，可调谐太赫兹波极化旋转的柔性超材料为平面态。
本发明可调谐太赫兹波极化旋转的柔性超材料在太赫兹情况下可实现极化转换和极化旋转，并且通过微流控技术对超材料进行结构重构，从而实现了偏振转换效率和偏振旋转角度的调谐，可有效地控制偏振，是一种灵活、多功能的超材料。
本发明可调谐太赫兹波极化旋转的柔性超材料线偏振到其正交方向的交叉透射率在0～28％之间有实时变化，偏振旋转角在实验中显著从-12.8°调整到13.1°。极化太赫兹波可以在太赫兹通信复用、各向异性或双折射材料分析和全息成像等方面发挥重要作用。本发明可调谐太赫兹波极化旋转的柔性超材料其有效的偏振控制为太赫兹范围内的光学器件集成，用于波束控制、光学成像和光聚焦等应用提供了基础。
附图说明
图1是本发明可调谐太赫兹波极化旋转的柔性超材料结构示意图；
图2是本发明可调谐太赫兹波极化旋转的柔性超材料平面态结构示意图；
图3是本发明可调谐太赫兹波极化旋转的柔性超材料非平面态结构示意图；
图4是可调谐太赫兹波极化旋转的柔性超材料为非平面态时，电偶极子和磁偶极子相互作用引起极化旋转的原理图；
图5是实施例1柔性超材料不同变形振幅A下太赫兹范围的模拟极化旋转角曲线图；
图6是实施例1柔性超材料平面态在太赫兹波段的表面电流模拟仿真效果图；
图7是实施例1柔性超材料非平面态在太赫兹波段的表面电流模拟仿真效果图；
图8是实施例1柔性超材料实物图；
图9是实施例1柔性超材料第一微通道层显微镜观察图；
图10是实施例1柔性超材料第一微通道层微通道单元放大观察图；
图11是实施例1柔性超材料第一微通道层与第二微通道层重叠局部显微镜观察图；
图12是实施例1柔性超材料极化旋转测量图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1～4说明本实施方式，本实施方式可调谐太赫兹波极化旋转的柔性超材料，包括衬底3和微通道层，微通道层分为第一微通道层1和第二微通道层2，第二微通道层2位于衬底3和第一微通道层1之间；
第一微通道层为柔性材料；第一微通道层包括主微通道1-1，主微通道为N条，等间距横向平行排列；主微通道内填充液态金属；每条主微通道均由M个相同的微通道单元1-1-1等距离连通组成，微通道单元为手性结构；
第二微通道层中有等间距纵向平行排列的M条宽微通道2-1，宽微通道相互连通；宽微通道的宽度与微通道单元宽度相同；宽微通道内填充液体溶液；液体溶液入口4和液体溶液出口5分别与宽微通道相连通。
本实施方式中N为正整数；M为正整数。
当本实施方式可调谐太赫兹波极化旋转的柔性超材料为平面态时该柔性超材料仅响应太赫兹波电场，产生电偶极子，不产生磁响应，因此不发生极化旋转。当第一微通道层变形时，本实施方式可调谐太赫兹波极化旋转的柔性超材料为非平面态(如图2所示)，微通道单元及其中的液态金属发生形变，对入射电磁波产生电响应的同时，柔性超材料激发一个平行于电偶极子的磁偶极子。这两个偶极子均可引起超材料中电流变化，因此相互作用并重新辐射极化旋转后的太赫兹波，如图4所示。在入射电场作用下，该超材料单元分子中激发电偶极子p，并发出散射电场Ep。m是平行或反平行的磁偶极子p，可发出散射电场Em。Ep结合Em形成总散射场Es，该总散射场方向不平行于入射Ei。因此，透过超材料的太赫兹波的电场，即“Ei+Es”，对于原来的Ei方向产生旋转。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：第一微通道层所述柔性材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS，polydimethylsiloxane)。其它与实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二的不同点是：第一微通道层PDMS厚度为120μm～180μm。其它与实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一、二或三的不同点是：主微通道深度为20μm～40μm、宽度为130μm～150μm。其它与实施方式一、二或三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一的不同点是：微通道单元1-1-1为
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一的不同点是：微通道单元大小为1×1mm2。其它与实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一的不同点是：第一微通道层中还包括辅微通道1-2；辅微通道为两条、分别位于主微通道两端，每条辅微通道均与N条主微通道相连通；其中一条辅微通道与金属液体入口6连接，另一条辅微通道与金属液体出口7连接。其它与实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一的不同点是：第二微通道层为柔性材料。其它与实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一的不同点是：第二微通道层所述柔性材料为PDMS。其它与实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一的不同点是：液体溶液的折射率与第二微通道层材料的折射率相同。其它与实施方式一至九之一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一至十之一的不同点是：宽微通道的深度为20μm～40μm；宽度为700μm～800μm。其它与实施方式一至十之一相同。
具体实施方式十二：本实施方式可调谐太赫兹波极化旋转的柔性超材料的使用方法，其特征在于打开液体溶液入口和液体溶液出口，将液体溶液注入宽微通道；待液体溶液注满宽微通道后关闭液体溶液出口，继续注入液体溶液直至第一微通道层顶起，形成波浪状非平面，为非平面态；
液体溶液未将第一微通道层顶起，可调谐太赫兹波极化旋转的柔性超材料为平面态。
实施例1
本实施例所用可调谐太赫兹波极化旋转的柔性超材料，包括衬底和微通道层，微通道层分为第一微通道层和第二微通道层，第二微通道层位于衬底和第一微通道层之间；
第一微通道层为柔性材料；第一微通道层包括主微通道，主微通道为30条，等间距横向平行排列；主微通道内填充液态金属；每条主微通道均由30个相同的微通道单元等距离连通组成，微通道单元为手性结构；
第二微通道层中有等间距纵向平行排列的M条宽微通道，宽微通道相互连通；宽微通道的宽度与微通道单元宽度相同；宽微通道内填充液体溶液；液体溶液入口和液体溶液出口分别与宽微通道相连通；
第一微通道层所述柔性材料为PDMS，第一微通道层PDMS厚度为120μm～180μm；主微通道深度为20μm～40μm、宽度为130μm～150μm；微通道单元为
第一微通道层中还包括辅微通道；辅微通道为两条、分别位于主微通道两端，每条辅微通道均与N条主微通道相连通；其中一条辅微通道与金属液体入口连接，另一条辅微通道与金属液体出口连接；
第二微通道层为柔性材料PDMS；液体溶液的折射率与PDMS的折射率相同；宽微通道的深度为20μm～40μm；宽度为700μm～800μm；
液态金属为镓铟锡合金(Galinstan)；衬底为柔性PDMS。
本实施例柔性超材料在不同变形振幅A下的太赫兹范围内的极化旋转计算如图5所示。变形振幅值是每个元原子从平面结构到非平面结构的中心位移。当A增加到30μm，0.24THz的太赫兹波极化旋转将达到13°；这对应于一个波长的1.25mm和一个巨大的极化270°/λ的能力，超过天然材料4个数量级。图6和图7通过研究本实施例柔性超材料上的诱导电场来分析极化旋转。与平面结构相比，在x极化情况下，入射波在非平面超材料上诱导的电场y分量要强得多。因此，实现了一个重要的偏振旋转。
本实施例所制备的微通道层粘结在PDMS衬底上，如图8～11所示。测量本实施例柔性超材料的极化旋转如图12所示。在未施加液体压力(即柔性超材料平面态)时在所测0.2THz到0.26THz波段没有观察到任何偏振旋转，而施加液体压力(即柔性超材料非平面态)时则在频率0.235THz位置观察到9°的偏振旋转。证明本发明柔性超材料在太赫兹范围内实现了可调谐偏振旋转。
