一种可重构极化转换超表面器件及制备方法

1.本技术涉及电磁通信技术领域，特别涉及一种可重构极化转换超表面器件及制备方法。


背景技术：

2.超表面是由亚波长结构单元在二维平面上按照一定规律排列而成的，其特征尺寸小于波长。通过调整单元结构的几何参数，如尺寸、形状和排布方式，可以有效控制反射或透射波前，为电磁调控开辟了一条新的途径。由于其独特的功能，超表面最近受到了广泛的关注。在过去的几十年中，超表面结构被广泛用于各种应用领域，例如频率选择性表面，平板透镜，高折射率磁盘，天线增益增强，吸波器等。它们还用于产生轨道角动量和操控极化。相较于传统器件，且具备低损耗、轻量化和高集成度等优势。
3.极化是电磁波的一项重要属性，它在信号传输和敏感测量中携带电磁波重要价值信息，对于传感、影像、通信的各种应用都至关重要。实际应用中，迫切需要完全控制电磁波的极化。根据麦克斯韦方程，介质的介电常数和磁导率决定了在其内部传播的电磁波行为，天然材料的介电常数取值范围普遍狭窄，操纵电磁波的能力十分有限。电磁超表面器件的出现为极化调控提供了强有力的工具，为了适应多样化的极化调控需求，基于可重构电磁超表面的极化转换器应运而生。传统的可重构方式多采用变容二极管、pin二极管、机械旋转等方式实现，但这些方法存在诸多限制，比如可重构状态数不足、工作带宽受限、二极管的引入会增大系统复杂度、且由于偏置电路的密集排布会引起微波信号串扰并产生较强的非线性效应。


技术实现要素：

4.鉴于此，有必要针对现有技术中存在的可重构状态少、系统复杂度高、工作带宽窄的缺陷提供一种可实现电磁超表面功能的灵活可重构的极化转换超表面器件及制备方法。
5.为解决上述问题，本技术采用下述技术方案：
6.本技术目的之一，提供一种可重构极化转换超表面器件，其特征在于，包括结构层，所述结构层上设置有微通道阵列，所述微通道阵列由至少两种不同结构的微通道间距交错排列，所述微通道上设置有周期性排列的超表面结构单元，通过外力驱动液态金属在所述微通道内的流动，并改变所述液态金属在所述微通道内的填充情况以重构器件的极化转换。
7.在其中一些实施例中，所述结构层的上下表面分别设置有上压敏胶层及下压敏胶层。
8.在其中一些实施例中，所述上压敏胶层上安装有封装盖板，所述封装盖板采用pvc、pdms、pmma、聚酰亚胺或硅胶材料中的至少一种。
9.在其中一些实施例中，所述下压敏胶层上还设置有中间介质层，所述中间介质层可选择二氧化硅、硅、三氧化二铝、硅橡胶、聚二甲基硅氧烷中的至少一种。
10.在其中一些实施例中，所述中间介质层上还设置有金属反射层，所述金属反射层为包括银或铜或铝的薄膜材料。
11.在其中一些实施例中，还包括电子注射泵，所述电子注射泵注入所述液体金属并控制所述液态金属的流量、流速和流向。
12.在其中一些实施例中，所述封装盖板及所述上压敏胶层的对应位置布置有通孔，所述通孔与所述电子注射泵的管线口径相匹配，所述电子注射泵通过所述通孔将所述液态金属注入至到所述微通道。
13.在其中一些实施例中，所述微通道为直线型或折线型中的至少一种，所述微通道的宽度及长度为百微米到毫米级，所述微通道之间彼此独立且互不连通。
14.在其中一些实施例中，所述液态金属为镓铟锡合金。
15.本技术目的之二，提供一种所述的可重构极化转换超表面器件的制备方法，包括下述步骤：
16.在所述结构层上设置微通道阵列，并使得所述微通道阵列由至少两种不同结构的微通道间距交错排列；在所述微通道上设置有周期性排列的超表面结构单元；通过外力驱动液态金属在所述微通道内的流动，并改变所述液态金属在所述微通道内的填充情况以重构器件的极化转换。
17.在其中一些实施例中，在无氧环境中采用氢氧化钠溶液、盐酸或酸性油包裹所述液态金属。
18.本技术采用上述技术方案，其有益效果如下：
19.本技术提供的可重构极化转换超表面器件及制备方法，在所述结构层上设置微通道阵列，并使得所述微通道阵列由至少两种不同结构的微通道间距交错排列；在所述微通道上设置有周期性排列的超表面结构单元；通过外力驱动液态金属在所述微通道内的流动，并改变所述液态金属在所述微通道内的填充情况以重构器件的极化转换，本技术提供的可重构极化转换超表面器件及制备方法，将微流控技术与液态金属的结合使得微通道阵列的结构决定了超表面单元结构的大小、形状和排布方式，根据亚波长电磁学的基本理论，不同的金属微结构具有不同的谐振响应频率和阻抗匹配特性，通过改变超表面的亚波长单元结构和阵列排布方式，可以有效调控电磁波的振幅、极化、相位等物理参数从而实现电磁超表面功能的实时连续调节，可以只用一个器件实现不同的电磁调控功能，有利于推动电磁器件向轻量化、集成化、智能化的方向发展。
附图说明
20.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本发明实施例1的器件多层结构示意图；
22.图2为本发明实施例1的多种工作状态示意图；
23.图3为本发明实施例1的宽带正交线极化转换效率曲线；
24.图4为本发明实施例1的窄带正交线极化转换效率曲线；
25.图5为本发明实施例1的宽带线极化转圆极化轴比曲线。
具体实施方式
26.下面详细描述本技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。
27.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
28.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
29.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。
30.实施例1
31.请参阅图1至图2，为本技术实施例1提供的可重构极化转换超表面器件的结构示意图，包括：封装盖板1、上压敏胶层2、结构层3、下压敏胶层、中间介质层4以及金属反射层5，上述各层之间采用贴敷压敏胶并加压胶合的方式粘接并密封。以下详细说明各个部件之间的连接关系及其实现方式。
32.在本实施例中，封装盖板1采用pvc、pdms、pmma、聚酰亚胺或硅胶材料中的至少一种。封装盖板1安装于所述上压敏胶层2上用于保护其内部部件。
33.在本实施例中，所述结构层3的上下表面分别设置有上压敏胶层2及下压敏胶层。可以理解，在压敏胶层的作用下，可以吸收多余的热量，从而有效避免直接加工时端面出现碳化和变形现象。
34.所述结构层3上设置有微通道阵列6，所述微通道阵列6由至少两种不同结构的微通道间距交错排列，所述微通道上设置有周期性排列的超表面结构单元，可供液态金属流动；通过外力驱动液态金属在所述微通道6内的流动，并改变所述液态金属在所述微通道6内的填充情况以重构器件的极化转换。
35.如图2所示，为本实施例提供的所述可重构极化转换超表面器件在四种状态工作时每个超表面单元结构的液态金属填充状态，其中微通道内黑色部分代表填充液态金属，当所有微通道结构尚未填充液态金属或者液态金属全部撤出时，器件工作在极化保持状态，入射电磁波类似于发生镜面反射，没有极化转换效果；当液态金属只填充较细的微通道结构时，其极化转换效率曲线如图3所示，器件可以在13.8-18.6ghz频率范围内实现宽带高效正交线极化转换；当液态金属只填充较粗的微通道结构时，其极化转换效率曲线如图4所示，器件可以在8.5-11.2ghz频率范围内实现高效正交线极化转换；当液态金属只填充所有的微通道结构时，其极化转换效率曲线如图5所示，器件可以在13.4-20.7ghz频率范围内实现宽带高效线极化到圆极化转换，且保证轴比在3db以下；因此，可以根据实际需求来选择
工作状态，通过控制液态金属注入或撤出不同的微通道，实现对该器件极化转换性能的可调控性。
36.在本实施例中，所述微通道为直线型或折线型中的至少一种或者为其他实现电磁响应的结构形式，以满足不同的电磁波调控功能需求。所述微通道的宽度及长度为百微米到毫米级，所述微通道之间彼此独立且互不连通。
37.可以理解，本实施例采用微流控技术与液态金属的结合使得微通道阵列6的结构决定了超表面单元结构的大小、形状和排布方式，根据亚波长电磁学的基本理论，不同的金属微结构具有不同的谐振响应频率和阻抗匹配特性，通过改变超表面的亚波长单元结构和阵列排布方式，可以有效调控电磁波的振幅、极化、相位等物理参数从而实现特定的电磁功能。
38.在本实施例中，还包括电子注射泵(图未示)，所述电子注射泵注入所述液体金属并控制所述液态金属的流量、流速和流向。
39.具体地，所述封装盖板1及所述上压敏胶层2的对应位置布置有通孔7，所述通孔7与所述电子注射泵的管线口径相匹配，所述电子注射泵通过所述通孔将所述液态金属注入至到所述微通道阵列6。
40.可以理解，通过电子注射泵及其管线可以精确控制所述液态金属的流量、流速和流向，从而实现电磁超表面功能的灵活可重构。
41.在本实施例中，所述下压敏胶层上还设置有中间介质层4，所述中间介质层4可选择二氧化硅、硅、三氧化二铝、硅橡胶、聚二甲基硅氧烷中的至少一种。
42.可以理解，中间介质层4位于超表面结构和金属反射层之间，提供支撑和绝缘的作用。它可以保护超表面结构免受外界环境的影响，如湿度、化学物质等，同时提供物理支撑和稳定性。此外，中间介质层4还提供了液态金属阵列层和金属反射层之间的有效间距，不同材质和不同厚度的介质层可以起到不同的效果，一般来讲在一定范围内，介质层越厚，器件的工作频率就越低。另外，如果采用硅橡胶或者聚二甲基硅氧烷材料作为中间介质层可使器件具有柔性，有利于和曲面共形。
43.在本实施例中，所述中间介质层4上还设置有金属反射层5，所述金属反射层5为包括银或铜或铝的薄膜材料。
44.可以理解，金属反射层5的存在可以增强反射式电磁超表面的反射效果。由于反射式电磁超表面由多个金属结构单元组成，其中金属反射层5充当了反射的支撑层，可在可见光、微波或射频频段实现高效的反射。通过调整金属反射层5及其他层的结构参数，可以控制反射效果，实现波束控制、散射抑制、谐振现象等。
45.在本实施例中，所述液态金属为镓铟锡合金。可以理解，液态金属集合了传统固态金属和流体介质材料的优异性能，同时具备导电性和流动性，现存的五种室温下的液态金属，包括钫、铷、铯、汞、镓。其中，钫会产生辐射危害，铯和铷在空气中极其活泼，汞具有很强的生物毒性，因此上述四种液态金属均不适合本发明。本技术采用镓铟锡合金适用于制备各种电磁器件，主要原因如下：一是其流动性好，粘度低，从而可以方便地注入微流道中；二是其导电性好，电导率远高于常见的导电液体；三是其性能稳定、不易挥发，避免相关操作人员吸入气体分子；四是其无生物毒性，确保了相关器件安全可靠。
46.本实施例提供的可重构极化转换超表面器件，可以实现微波段电磁波的线极化转
多种极化状态功能和极化保持功能，与现有技术相比，本实施例将液态金属微流控技术与超表面进行集成，利用液态金属的金属性及可任意流动性，一方面通过操控液态金属在微通道中的流动，改变不同的微通道单元的填充状态，进而实现调控所设计超表面器件的物理属性。另一方面，微通道的构型可以根据所需要的电磁调控需求，设计成不同的亚波长结构形态实现更加多样化的电磁波调控功能，而且这些功能可以由液态金属在微通道单元中的不同填充状态灵活调制，从而显著提高超表面器件的设计自由度以及可重构能力。本实施例中的超表面器件可应用于微波、通信、传感、天线等技术领域。
47.实施例2
48.本实施例2提供了一种可重构极化转换超表面器件的制备方法，包括下述步骤：在所述结构层上设置微通道阵列，并使得所述微通道阵列由至少两种不同结构的微通道间距交错排列；在所述微通道上设置有周期性排列的超表面结构单元；通过外力驱动液态金属在所述微通道内的流动，并改变所述液态金属在所述微通道内的填充情况以重构器件的极化转换。
49.在本实施例中，具体包括下述步骤：
50.1.对基材进行预处理。
51.具体地，待加工基材选取pvc、pdms、pmma、聚酰亚胺或硅胶材料中的至少一种；预处理包括裁剪、去除材料表面保护膜、抻平、粘附压敏胶等操作，在粘附压敏胶时需要保证贴合度，防止产生气泡。
52.2.采用微加工工艺在基材中切割出微通道结构。
53.具体地，采用二氧化碳激光雕刻机的切割工艺，根据结构单元阵列层版图对基材进行加工，通过去除材料形成微通道结构。
54.3.制备中间介质层、金属反射层和封装盖板。
55.具体地，采用二氧化碳激光雕刻机的切割工艺生成封装盖板通孔结构，并将封装盖板和中间介质层从基材切下。
56.4.对微通道和封装盖板通孔加工面进行清洗、干燥，去除加工过程产生的残屑，保证装配质量和液态金属流动顺畅。
57.5.完成微流控芯片主体的装配并进行后处理。
58.具体地，各层之间的装配采用贴敷压敏胶并加压胶合的方式，后处理包括去除气泡、在微通道内注入硅油形成油膜包络层等操作。
59.可以理解，对基材贴敷压敏胶可以提高激光加工质量，由于压敏胶的存在，可以吸收多余的热量，从而有效避免直接加工时端面出现碳化和变形现象；对基材进行贴胶预处理，可以有效提高激光加工表面质量，同时保护其他区域不受激光高温熔融飞溅物的影响；微流控芯片多层结构之间采用压敏胶加压胶合的装配方式，无需使用常规的机械连接件与紧固件，使得器件结构得到明显简化，装配难度明显降低。
60.6.安装配套的电子注射泵和管线。
61.具体地，在封装盖板通孔结构处固定与孔径匹配的管线，所述管线另一端连接电子注射泵。
62.7.对液态金属进行预处理清除氧化层，防止液态金属在微通道中流动性恶化。
63.具体地，本实施例采用1％浓度氢氧化钠溶液清洗液态金属去除氧化层，或者也可
以选取其他类别的具有相当功能的酸、碱溶液去除。
64.8.通过微注入工艺将液态金属注入微通道。
65.可以理解，激光加工方式相较常规微加工技术加工速度更快、加工精度更高，可以调整激光器功率与移动速率达到最佳匹配状态，在大面积加工时，可以合理规划加工顺序防止工件产生翘曲、卷边等形变，保证加工质量。
66.本实施例提供的可重构极化转换超表面器件的制备方法，可以实现微波段电磁波的线极化转多种极化状态功能和极化保持功能，与现有技术相比，本实施例将液态金属微流控技术与超表面进行集成，利用液态金属的金属性及可任意流动性，一方面通过操控液态金属在微通道中的流动，改变不同的微通道单元的填充状态，进而实现调控所设计超表面器件的物理属性。另一方面，微通道的构型可以根据所需要的电磁调控需求，设计成不同的亚波长结构形态实现更加多样化的电磁波调控功能，而且这些功能可以由液态金属在微通道单元中的不同填充状态灵活调制，从而显著提高超表面器件的设计自由度以及可重构能力。本实施例中的超表面器件可应用于微波、通信、传感、天线等技术领域。
67.可以理解，以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
68.以上仅为本技术的较佳实施例而已，仅具体描述了本技术的技术原理，这些描述只是为了解释本技术的原理，不能以任何方式解释为对本技术保护范围的限制。基于此处解释，凡在本技术的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，及本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本技术的其他具体实施方式，均应包含在本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种可重构极化转换超表面器件，其特征在于，包括结构层，所述结构层上设置有微通道阵列，所述微通道阵列由至少两种不同结构的微通道间距交错排列，所述微通道上设置有周期性排列的超表面结构单元，通过外力驱动液态金属在所述微通道内的流动，并改变所述液态金属在所述微通道内的填充情况以重构器件的极化转换。2.如权利要求1所述的可重构极化转换超表面器件，其特征在于，所述结构层的上下表面分别设置有上压敏胶层及下压敏胶层。3.如权利要求2所述的可重构极化转换超表面器件，其特征在于，所述上压敏胶层上安装有封装盖板，所述封装盖板采用pvc、pdms、pmma、聚酰亚胺或硅胶材料中的至少一种。4.如权利要求3所述的可重构极化转换超表面器件，其特征在于，所述下压敏胶层上还设置有中间介质层，所述中间介质层可选择二氧化硅、硅、三氧化二铝、硅橡胶、聚二甲基硅氧烷中的至少一种。5.如权利要求4所述的可重构极化转换超表面器件，其特征在于，所述中间介质层上还设置有金属反射层，所述金属反射层为包括银或铜或铝的薄膜材料。6.如权利要求5所述的可重构极化转换超表面器件，其特征在于，还包括电子注射泵，所述电子注射泵注入所述液体金属并控制所述液态金属的流量、流速和流向。7.如权利要求6所述的可重构极化转换超表面器件，其特征在于，所述封装盖板及所述上压敏胶层的对应位置布置有通孔，所述通孔与所述电子注射泵的管线口径相匹配，所述电子注射泵通过所述通孔将所述液态金属注入至到所述微通道。8.如权利要求1或7所述的可重构极化转换超表面器件，其特征在于，所述微通道为直线型或折线型中的至少一种，所述微通道的宽度及长度为百微米到毫米级，所述微通道之间彼此独立且互不连通。9.如权利要求1所述的可重构极化转换超表面器件，其特征在于，所述液态金属为镓铟锡合金。10.一种如权利要求1所述的可重构极化转换超表面器件的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：在所述结构层上设置微通道阵列，并使得所述微通道阵列由至少两种不同结构的微通道间距交错排列；在所述微通道上设置有周期性排列的超表面结构单元；通过外力驱动液态金属在所述微通道内的流动，并改变所述液态金属在所述微通道内的填充情况以重构器件的极化转换。11.如权利要求10所述的可重构极化转换超表面器件的制备方法，其特征在于，在无氧环境中采用氢氧化钠溶液、盐酸或酸性油包裹所述液态金属。

技术总结
本申请提供的可重构极化转换超表面器件及制备方法，在结构层上设置微通道阵列，并使得微通道阵列由至少两种不同结构的微通道间距交错排列；在微通道上设置有周期性排列的超表面结构单元；通过外力驱动液态金属在微通道内的流动，并改变液态金属在微通道内的填充情况以重构器件的极化转换，上述器件及制备方法，将微流控技术与液态金属的结合使得微通道阵列的结构决定了超表面单元结构的大小、形状和排布方式，根据亚波长电磁学的基本理论，不同的金属微结构具有不同的谐振响应频率和阻抗匹配特性，通过改变超表面的亚波长单元结构和阵列排布方式，可以有效调控电磁波的振幅、极化、相位等物理参数从而实现电磁超表面功能的实时连续调节。的实时连续调节。的实时连续调节。


技术研发人员：李博文 邓永波 高世博 邵亚楠 林雨 韩业明 王承邈 张健宇 韩海涛
受保护的技术使用者：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
技术研发日：2023.07.21
技术公布日：2023/9/22