基于超表面的一维聚焦透镜

1.本实用新型属于电磁功能器件领域，具体针对太赫兹波段的功能器件。


背景技术：

2.超材料的提出为太赫兹波束的操控提出了有效途径,但三维超材料存在器件尺寸大、损耗高以及制造复杂等缺点。随着研究的发展，超表面的提出为解决这些困难提供了很好的方案。超表面是超材料的二维或准二维形式,它是由单元结构在二维平面上以特定的方式排列而成,从而有目的地选择电磁响应。一般的超材料仍然是依靠其内部介质的传播相位来实现电磁波的操控,而超表面主要利用结构表面不连续的突变相位来实现对透射或反射波的波前操控。相对于三维结构的超材料,超表面同样有能力调控电磁波的相位、振幅和极化状态,在操纵电磁波波前方面具有很大的灵活性。并且超表面具有尺寸小、易集成、损耗低和制备工艺简单等优点,逐渐成为超材料的替代品。
3.按照调制方式进行区分，太赫兹调制技术通常可以分为2种方法：一种为间接调制，即基于现有微波通信技术，采用在低频微波段调制方式，通过倍频技术到太赫兹频段实现通信过程；另一种为直接调制，即在太赫兹源上直接加载调制信号，实现太赫兹无线通信。从目前研究情况来看，普遍认为直接调制能够充分利用太赫兹波的特点，实现高速大容量通信。
4.聚焦透镜是光学系统的重要组成部分，传统实现聚焦的方法是依赖器件连续的面形变化来实现对电磁波相位的控制，这不可避免地带来了器件巨大的体积和高损耗等缺陷。基于超表面的亚波长聚焦透镜可以有效地解决这些问题。在超表面上引入不连续的相位突变，并形成合适的梯度，可以将入射的平面波转化为可聚焦的抛物面波。
5.在2019年12月25日申请的公开号为cn201911360016.2的发明专利——“用于调控装置的超表面透镜”中解决了现有技术方法的透镜所存在的存在球差且无法应用于小型化调控装置中的问题。和在2021年1月26日申请的公开号cn202110107317.5的发明专利—“一种超表面透镜以及包含该超表面透镜的空间光调制器”，能够通过电调构成超表面透镜的调制材料折射率，实现通过超表面透镜的光束的空间指向、光学焦距以及数值孔径的动态调节。以上两种发明耗时长，结构复杂且仪器设备要求高，相比之下，本实用新型结构简单，便于集成，制备难度较小。


技术实现要素：

6.有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本实用新型提出一种基于超表面的一维聚焦透镜。
7.一种基于超表面的一维聚焦透镜，其特征在于，该结构包括石英基底、相位调制单元结构金属c型开口环。
8.所有相位调制单元结构按照相位聚焦需求在石英基底上排列成阵列。
9.具体c型开口环的设置方法如下：根据超透镜的相位聚焦公式
[0010][0011]
其中,ф为相位突变值,f为透镜的焦距，r为透镜的径向向外的距离，λ为波长，k是一个任意整数。在基底上选取某一点作为透镜中心，同时确定结构周期，然后根据所设置的焦点和透镜上结构具体位置计算出调制相位值。
[0012]
中间层的c型开口环的主要负责极化转换和相位调控,即通过改变开口的大小,交叉极化透射波的相位可以实现完整的2π范围覆盖。
[0013]
该透镜的基本结构是c型开口环结构，斜45
°
放置的c型结构，可以实现极化转换，极化转换后的透射波具有大范围的相位变化,调节开口大小可以调节极化转换相位。同一开口朝向，开口越大,调制相位越大。根据几何相位调制原理可知，45
°
倾斜的c型结构，在同一开口大小下旋转90
°
，相位变化可增加180
°
。
[0014]
根据每一个具体径向位置所计算的相位值,调节该位置开口环的开口大小和开口朝向以实现单元结构在具体位置的相位调制，再根据相位值对结构尺寸进行仿真调制和优化。在x方向放置不同的单元结构，实现补偿相位，沿y方向结构尺寸相同。在实际应用中，可以根据具体需求改变尺寸。
附图说明
[0015]
图1是本实用新型一维超表面透镜整体排布设计示意图；
[0016]
图2是本实用新型维透镜单元结构示意图；
[0017]
图3是是本实用新型单层仿真透射率和相位结果图；
[0018]
图4是是本实用新型透镜焦点仿真场图；
具体实施方式
[0019]
图1是本实施例中一维透镜整体排布设计示意图，根据超透镜聚焦特性，预设超透镜的焦点，以计算出从不同位置的太赫兹波汇聚在该焦点处所需要的相位调制。据此，得出单元周期p＝200um的超透镜，在预设焦点10mm时需要16个单元结构才能满足2π范围的相位调制。16个结构调制相位及结构开口角度如表1。
[0020]
表1：结构调制相位及开口角度
[0021][0022]
如图2所示，本实用新型单元结构示意图，石英衬底在x与y方向的周期是p
x
＝py＝200μm，石英衬底的厚度h＝100μm；金开口环的宽度w＝12.5μm，金开口环的外径r＝80μm，金开口环的厚度h-h1＝0.2μm；
[0023]
具体c型开口环的设置方法如下根据超透镜的相位聚焦公式其中，ф为相位突变值，f为透镜的焦距，r为透镜的径向向外的距离，λ为波长，k是一个任意整数。
[0024]
在基底上选取某一点作为透镜中心，同时确定结构周期，然后根据所设置的焦点和透镜上结构具体位置计算出调制相位值。
[0025]
超透镜16个结构具有相位调制效果，如图3所示16个单元对应的相位覆盖了2π相位，透射率稳定在0.3以上。
[0026]
16个相位调制单元沿中线对称排布，组成一维的相位调制阵列，通过对一维相位调制阵列进行复制排列组成6行相位排布阵列。不同行的相位调制单元结构相同。
[0027]
应用cst仿真软件对该结构进行聚焦仿真，模拟焦点状态。图4是本实用新型透镜焦点仿真场图。在xoz切面，太赫兹波束汇聚在透镜后8.5mm处。8.5mm处xoy焦平面的电场图可以看出，在8.5mm处的聚焦光斑为一柱型长条。波束实现的是柱型聚焦。


技术特征：
1.一种基于超表面的一维聚焦透镜，其特征在于，所述的一维聚焦透镜结构包括石英衬底和金属开口环结构两层，金属开口环结构层是周期性排布，在x与y方向的周期是p＝200μm，石英衬底的厚度h＝100μm；开口环的宽度w＝12.5μm，开口环的外径r＝80μm，金属开口环的厚度h1＝0.2μm；每个周期内的金属开口环结构包含16个开口角度不同的单元结构，其中单元结构1-12的对称轴与y轴的夹角为45
°
开口大小分别为10
°
、14
°
、16
°
、22
°
、28
°
、40
°
、49
°
、65
°
、95
°
、126
°
、150
°
、166
°
，单元结构13-16的对称轴与y轴的夹角为-45
°
，开口大小分别为46
°
、80
°
、126
°
、156
°
，从而满足广义斯涅尔定律的相位梯度要求实现聚焦。2.根据权利要求1所述的一种基于超表面的一维聚焦透镜，其特征在于，所述金属开口环的材料是金，工作频率为0.65thz，焦距为8.5mm，透射率在0.3以上，在8.5mm处的聚焦光斑为一柱型长条。

技术总结
本实用新型公开了一种基于超表面的一维聚焦透镜，属于电磁功能器件技术域，重点针对太赫兹波段动态功能器件。本实用新型结构包括两层，下层是基底，材料为二氧化硅；上层是金属C型开口环的相位调制单元结构，根据结构的尺寸、开口朝向和开口环大小变换实现相位的非连续变化。通过x线极化太赫兹波垂直入射，实现远距离y极化波束聚焦。本实用新型工作在太赫兹波段，具有结构简单、可调节尺寸、易于集成的优点，在太赫兹成像系统中有潜在应用价值。在太赫兹成像系统中有潜在应用价值。在太赫兹成像系统中有潜在应用价值。


技术研发人员：汪珍艾 郎婷婷
受保护的技术使用者：中国计量大学
技术研发日：2022.04.14
技术公布日：2022/7/8