[論文レビュー] Broadband Circular-to-Linear Polarization Conversion of Terahertz Waves Using Self-Complementary Metasurfaces

Andrey Sayanskiy, С. А. Кузнецов+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2018

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 5被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、230–540 GHz帯域で帯域幅が広い円偏光から線偏光への変換を実現する、ポリプロピレン基板上にアルミニウム膜に交替する長方形のパッチとアパーチャーを配置した自己補完的メタサーフェスの提案を行う。設計は並進対称性を活用し、周波数に依存しない透過率の大きさと線形に変化する偏光角度を実現することで、帯域幅が広く、高効率な偏光制御を可能にし、ビームスプリッタ応用への応用が期待される。

ABSTRACT

In this work, we theoretically and experimentally study the conversion from a circularly polarized plane electromagnetic wave into a linearly polarized transmitted one using anisotropic self-complementary metasurfaces. For this purpose, a metasurface design operable at sub-terahertz frequencies is proposed and investigated in the range of 230-540 GHz. The metasurface is composed of alternating complementary rectangular patches and apertures patterned in an aluminum layer deposited on a thin polypropylene film. The term extit{self-complementary} implies that the pattern is invariant with respect to its inversion (with some translation). Our study shows that the translational symmetry of the metasurface results in unusual and useful electromagnetic properties under illumination with circularly polarized radiation beams. In particular, alongside with broadband circular-to-linear conversion, the transmitted wave exhibits a frequency independent magnitude, while its polarization angle gradually changes with frequency that paves the way for new beam-splitting applications.

研究の動機と目的

• テラヘルツ帯で効率的な円偏光から線偏光への変換を実現する帯域幅が広いメタサーフェスの開発。
• 周波数に依存しない透過率を実現する自己補完的対称性を活用することで、狭帯域の偏光変換器の限界を克服すること。
• 並進対称性を有する自己補完的メタサーフェスが、安定した振幅と制御可能な偏光角度を有する帯域幅が広い動作を可能にすることを実験的に示すこと。
• 可変な偏光応答を可能にすることで、ビームスプリッタなどの準光学系における新規応用の実現。

提案手法

• ポリプロピレン基板上に交互に配置された長方形の金属パッチとアパーチャーを用いた自己補完的メタサーフェスの設計。
• 金属-アパーチャー反転に対して構造が不変となるよう、バビンの原理を適用。
• 薄膜を伸ばして張ったポリプロピレンフィルム上にフォトリソグラフィーと金属蒸着を用いたプロセスによる製造。寸法測定値は設計値と1%以内の誤差。
• 230–540 GHz帯域で動作する後方波動発振器（BWO）を光源とする準光学的マハー・ゼンダ干渉計を用いて、複素透過係数の測定。
• チャッパーを用いたロックイン検出による振幅測定と、振動鏡を用いた位相測定。
• 線形基底における複素電場成分を用いた変換式により、円偏光透過度の計算。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自己補完的メタサーフェスは、テラヘルツ帯域で帯域幅が広い円偏光から線偏光への変換を実現できるか？
• RQ2 メタサーフェス設計における並進対称性は、円偏光波に対して周波数に依存しない透過率の大きさをもたらすか？
• RQ3 このような構造において、透過波の偏光角度は周波数とともにどのように変化するか？
• RQ4 このメタサーフェスは、広帯域にわたり高い透過効率を維持しながら、制御可能な偏光回転を実現できるか？
• RQ5 理論的帯域幅が広い偏光変換性能の実験的妥当性はどのように検証されるか？

主な発見

• メタサーフェスは230–540 GHz帯域全域で帯域幅が広い円偏光から線偏光への変換を実現し、透過率の大きさがほぼ一定（周波数に依存しない）である。
• 透過波の偏光角度は周波数に比例して線形に変化し、可変なビームスプリッタ機能を実現可能である。
• 測定された透過率の大きさは全帯域で約0.25で安定しており、自己補完的構造の理論的予測と一致している。
• 透過波の軸比は帯域全域で1に近い値を示し、高品質な線偏光出力が得られている。
• 実験結果は理論モデルと良好に一致しており、両方の振幅応答と位相応答において帯域幅が広い性能が妥当であることが検証された。
• 製造されたメタサーフェスは、フィルムの伸長により設計値から1%の寸法誤差を示すが、依然として機能的な帯域幅特性を維持している。