《一种基于偏振转换和相变原理的温控开关.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一种基于偏振转换和相变原理的温控开关.pdf（10页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。
1、(10)申请公布号 CN 104020588 A (43)申请公布日 2014.09.03 C N 1 0 4 0 2 0 5 8 8 A (21)申请号 201410246798.8 (22)申请日 2014.06.05 G02F 1/01(2006.01) (71)申请人哈尔滨工程大学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区南通 大街145号哈尔滨工程大学科技处知 识产权办公室 (72)发明人史金辉 吕婷婷 史全超 朱正 关春颖 (54) 发明名称 一种基于偏振转换和相变原理的温控开关 (57) 摘要 本发明属于新型人工电磁材料技术领域，具 体涉及对电磁波的传输控制，尤其是控制电磁波 。
2、交叉偏振的传输，通过温控的方式实现电磁波交 叉偏振传输的开/关功能的一种基于偏振转换和 相变原理的温控开关。基于偏振转换和相变原理 的温控开关，包括介质层和双层人工电磁材料， 双层人工电磁材料分别位于介质层两侧的表面， 每层人工电磁材料由周期性排列的人工电磁材料 基本单元构成，人工电磁材料层的基本单元是指 由金属条组成的E型金属结构和条形相变材料结 构，条形相变材料位于E型金属结构的间隙，条形 相变材料的长度与E型金属条的宽度相同。本发 明可在更宽的频谱范围内有效工作，尤其适用于 多频段的线偏振光转换开关。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书4页 附图4页 (19)中华人民共和国国。
3、家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图4页 (10)申请公布号 CN 104020588 A CN 104020588 A 1/1页 2 1.一种基于偏振转换和相变原理的温控开关，其特征在于：包括介质层和双层人工电 磁材料，双层人工电磁材料分别位于介质层两侧的表面，每层人工电磁材料由周期性排列 的人工电磁材料基本单元构成，人工电磁材料层的基本单元是指由金属条组成的E型金属 结构和条形相变材料结构，条形相变材料位于E型金属结构的间隙，条形相变材料的长度 与E型金属条的宽度相同。 2.根据权利要求1所述的一种基于偏振转换和相变原理的温控开关，其特征在于：所 述的两层人。
4、工电磁材料的基本单元结构完全相同，两层人工电磁材料的基本单元存在结构 旋转角，结构旋转角非0和180。 3.根据权利要求2所述的一种基于偏振转换和相变原理的温控开关，其特征在于：所 述的介质层材料采用印刷电路板PCB、蓝宝石Al 2 O 3 ，介质层厚度为t，其厚度为毫米量级。 4.根据权利要求3所述的一种基于偏振转换和相变原理的温控开关，其特征在于：所 述的人工电磁材料基本结构单元厚度tm为百纳米量级，所述的金属材料为铜、金、铝。 5.根据权利要求4所述的一种基于偏振转换和相变原理的温控开关，其特征在于：所 述的E型金属结构和条形相变材料结构，是通过刻蚀覆于介质层表面，相变材料为二氧化 钒。。
5、 权 利 要 求 书CN 104020588 A 1/4页 3 一种基于偏振转换和相变原理的温控开关 技术领域 0001 本发明属于新型人工电磁材料技术领域，具体涉及对电磁波的传输控制，尤其是 控制电磁波交叉偏振的传输，通过温控的方式实现电磁波交叉偏振传输的开/关功能的一 种基于偏振转换和相变原理的温控开关。 背景技术 0002 1959年Morin在贝尔实验室首次观察到钒的低价态氧化物在加热过程中具有从 半导体到金属的相变现象，半个多世纪以来，科学家己经发现有多种钒的氧化物具有从低 温半导体相到高温金属相转变的特性。而其中二氧化钒因为其热致相变温度68最接近室 温而被广为关注。二氧化钒薄膜作。
6、为一种相变的金属氧化物，在热、光或者应力的作用下可 以由单斜结构的绝缘体态转变为四方结构的金属态，同时伴随着电阻率、磁导率、光透射率 和反射率的巨大突变。其中二氧化钒薄膜的电阻率突变幅度可达45个数量级，而且这 种突变是可逆的。这种电磁性能的突变为发展新型光子器件、调制器、开关和新型传感器提 供了可能，而且在微波和太赫兹领域已经得到广泛的应用。 0003 新型人工电磁材料Metamaterials中“meta”相当于英文的“beyond”，意为超 越，其结构单元的尺度在亚波长量级，可以实现天然材料所没有的电磁特性，如负折射、完 美透镜、隐身斗篷等。新型人工电磁材料的出现极大地丰富了电磁领域的研。
7、究内容，例如 手性与新型人工电磁材料结合后会出现巨大的旋光效应、电磁波的非对称传输等。2006 年，英国南安普敦大学Zheludev教授的研究小组在平面手性新型人工电磁材料研究中 发现了一个新的、重要的电磁学效应-圆转换二向色性，导致了宏观的非对称传输现象 (A.V.Rogacheva,Phys.Rev.Lett.2006,97,177401)。近年来，相变材料也被融入到新型人 工电磁材料的设计中，目的是对新型人工电磁材料的响应实现动态的控制。通过控制外部 激励(比如热激发源)，新型人工电磁材料的工作频率或者电磁响应在一定的频率段内被 动态调谐，它的特性不再只依靠基本结构单元的几何形状或者结构。
8、尺寸。对于电磁波技术， 新型人工电磁材料最大的优势在于其可随意设计的电磁谐振响应，可极大地增强电磁波与 物质之间的相互作用，远胜于自然界的常规材料。 0004 目前，基于人工电磁材料的VO 2 调制器(Acta Phys.Sin.2013,62,130702)有很多 的报道。利用VO 2 的相变原理，提出了将VO 2 薄膜与新型人工电磁材料集成的设计。通过调 控温度来调制薄膜中载流子浓度的变化，导致相变前后透射率发生明显降低，从而实现两 个模式的温控切换。但在这个温控的太赫兹波新型人工电磁材料研究中，温控方式仅能够 实现能量传输效率80的变化，最低传输效率大于10，可调谐性和调制深度小，不具有。
9、 显著的开关效应，研究中主要调制共偏振的传输，未涉及偏振转化现象，受同偏振态的背景 噪声影响严重。新型人工电磁材料与相变材料相结合的研究领域中，尚未见基于电磁波交 叉偏振传输的温控开关器件相关文献与专利。本专利将提出一种温控的电磁波新型人工电 磁材料，实现交叉偏振传输的开/关功能，该微波功能器件的调制深度大，具有很高的信噪 比。 说 明 书CN 104020588 A 2/4页 4 发明内容 0005 本发明的目的在于提供一种有效频谱范围更宽的基于偏振转换和相变原理的温 控开关。 0006 本发明的目的是这样实现的： 0007 基于偏振转换和相变原理的温控开关，温控开关器件包括介质层和双层人工。
10、电磁 材料，双层人工电磁材料分别位于介质层两侧的表面，每层人工电磁材料由周期性排列的 人工电磁材料基本单元构成，人工电磁材料层的基本单元是指由金属条组成的E型金属结 构和条形相变材料结构，条形相变材料位于E型金属结构的间隙，条形相变材料的长度与E 型金属条的宽度相同。 0008 两层人工电磁材料的基本单元结构完全相同，两层人工电磁材料的基本单元存在 结构旋转角，结构旋转角非0和180。 0009 介质层材料采用印刷电路板PCB、蓝宝石Al 2 O 3 ，介质层厚度为t，其厚度为毫米量 级。 0010 人工电磁材料基本结构单元厚度tm为百纳米量级，所述的金属材料为铜、金、铝。 0011 E型金属。
11、结构和条形相变材料结构，是通过刻蚀覆于介质层表面，相变材料为二氧 化钒。 0012 本发明的有益效果在于： 0013 1、更宽的工作频谱范围：基于偏振转换的微波温控开关适用于多种材料和几何形 状，可在更宽的频谱范围内有效工作，尤其适用于多频段的线偏振光转换开关。 0014 2、更方便的性能调谐：与电、光、磁场等方式的控制，温度调控无疑更加方便，易于 实现。 0015 3、更低的制造成本：该器件体积小，结构简单，与现有VO 2 工艺相匹配，易于制备。 附图说明 0016 图1是电磁波温控开关结构单元的立体结构示意图； 0017 图2是新型人工电磁材料结构单元的正反面示意图； 0018 图3是电磁。
12、波温控开关的周期性结构正反面示意图； 0019 图4是电磁波温控开关工作原理图； 0020 图5是VO 2 薄膜相变前后电磁波温控开关透射幅值的仿真结果。 具体实施方式 0021 下面结合附图对本发明做进一步描述。 0022 一种基于偏振转换和相变原理的温控开关，属于电磁波和新型人工电磁材料应用 领域。本发明涉及了温控的电磁波偏振转换开关器件。其特征在于采用双层的新型人工电 磁材料实现了温度可控的线偏振转换的开关功能。所述的人工电磁结构包括介质层和双人 工电磁材料层，介质层位于双人工电磁材料层之间。每层新型人工电磁材料由周期性排列 的新型人工电磁材料基本单元构成，两层的基本单元结构完全相同，但。
13、相互之间存在旋转 角，由于磁响应和电响应的耦合效应形成手性特征。新型人工电磁材料的基本单元包括一 说 明 书CN 104020588 A 3/4页 5 定宽度的E型金属结构和条形相变材料结构。利用热激发的作用，调控相变材料的电导率， 基于偏振转换和相变原理，在实现交叉偏振传输的同时可以有效的抑制共偏振噪声，而且 能够实现对电磁波传输特性的开/关控制。该结构可实现新型微波功能器件，包括偏振器 件、温控开关、调制器和滤波器等，对微波段新型人工电磁材料的发展具有重要意义。 0023 将相变材料融入双层新型人工电磁材料的设计中，层间结构旋转角将旋转通过它 的电磁波的偏振面，实现交叉偏振转化；相变材料中。
14、载流子的热激发，导致相变材料从介质 绝缘特性到金属导电特性的转变，其性质的改变影响偏振转化效率，交叉偏振传输效率从1 降为0；通过温度高低的控制，选择电磁波的激发模式，可实现微波波段交叉偏振传输的开 /关控制。 0024 本发明的技术方案为： 0025 基于偏振转换和相变原理的温控开关包括介质层和双人工电磁材料层。其特征 在于，所述的介质层位于双层人工电磁材料之间，采用印刷电路板(PCB)或性能相近、易于 加工的介质材料，其厚度为毫米量级，作为双人工电磁材料层的基底或者间隔层来支撑双 层新型人工电磁材料；双层人工电磁材料分别位于介质层两侧的表面，每层新型人工电磁 材料由周期性排列的人工电磁材料。
15、基本单元构成；两层的基本单元结构完全相同，但存在 非0和非180的结构旋转角，形成手性特征，实现交叉偏振传输；新型人工电磁材料层 的基本单元是指一定宽度的E型金属结构和条形相变材料结构的组合，其厚度为十微米量 级。条形相变材料结构和E型金属结构，是通过刻蚀覆于介质层的表面，两种材料结构的厚 度相同为tm；相变材料为VO 2 等其他相变热敏材料。金属结构采用金、铝等金属材料。新型 人工电磁材料的周期为毫微米量级。 0026 该器件的工作原理为：双层人工电磁材料的层间结构旋转角的存在使所述器件 具有手性性质，可旋转通过它的电磁波的偏振面，实现交叉偏振转化，从而实现交叉偏振传 输。利用外部热激励控制。
16、条形相变材料中的载流子浓度，实现相变材料在介质绝缘特性与 金属导电特性的之间的转变，而热激发的强度不影响金属和介质层的特性。相变材料性质 的改变可以调制交叉偏振传输模式的效率，使器件在两个不同的工作模式下切换。通过热 激发的控制，即可实现电磁波交叉偏振传输的温控开关功能。 0027 实施例1： 0028 实施例工作在微波波段，温度可控的电磁波开关的基本结构单元如图1和图2所 示，包括介质层1和双人工电磁材料层2和3。介质层1位于双人工电磁材料层2和3之 间，采用印刷电路板(PCB)，厚度t1.6mm。双人工电磁材料层2和3位于介质层1的表 面，每层由周期性排列的、E型金属结构和条形相变材料结构。
17、的新型人工电磁材料基本单元 构成，周期d15mm。刻蚀覆于介质层1的表面。金属结构的边长a11mm，金属条的宽 度w3mm形成E型金属结构4，相变材料结构的长度与金属条的宽度相同w3mm，宽度b (c-3w)/2，其厚度与金属层相同，tm17m，形成条形相变结构5，相变材料为VO 2 。实 施例中，两层人工电磁材料的基本结构单元尺寸相同，但两层基本单元之间的结构旋转角 为90。 0029 下面再结合附图4进一步说明实施方案，首先为微波温控开关器件设置一个XYZ 坐标轴作为工作平台，Z轴垂直于温控开关器件的表面。如图4(a)所示，X方向偏振的线偏 振光6沿-Z方向垂直入射到上述温控开关器件表面后。
18、，交叉偏振输出光为7；令热源T作为 说 明 书CN 104020588 A 4/4页 6 热激发源，器件温度控制在相变温度68(340K)以上，此时入射到开关器件上的线偏振光 6的交叉偏振输出光为8，如图4(b)，透射光7和8的强度存在明显差别。新型人工电磁材 料器件的微波能量透过率用表示，下标i、j分别代表透射光和入射光的偏振态，上标+ 和-分别代表有热致激发和无热致激发(注：表示无热致激发情况下，输入的X偏振光 转化为Y偏振输出光的系数)。温控微波开关器件在有、无热致激发作用下的交叉偏振能量 输出曲线如图5所示。从图5可以看出，在3.17GHz、3.61GHz、4.11GHz和4.23GH。
19、z处， 与有着显著的差异，开关效应明显。通过温控的方式，该微波器件的交叉偏振传输的调 制深度在90左右，能量输出可在0-75范围内变化。 0030 本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发 明的原理，应被理解为发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。凡是根据上 述描述做出各种可能的等同替换或改变，均被认为属于本发明的权利要求的保护范围。 说 明 书CN 104020588 A 1/4页 7 图1 图2 说 明 书 附 图CN 104020588 A 2/4页 8 图3 说 明 书 附 图CN 104020588 A 3/4页 9 图4 说 明 书 附 图CN 104020588 A 4/4页 10 图5 说 明 书 附 图CN 104020588 A 10 。