一种偏振不敏感太赫兹掺杂半导体超材料透镜的制作方法

本发明涉及光学器件技术领域，更具体地讲，尤其涉及一种半导体超材料透镜。

背景技术：

光或者电磁波在人类社会发展中一直占据着举足轻重的地位。在电磁波谱中，通常把波长在0.1mm~1mm范围的电磁波称为太赫兹波段电磁波（也称之为：亚毫米电磁波）。太赫兹波是一种处于无线电波与红外波之间的电磁波，由于自然界物质与太赫兹电磁波的相互作用十分微弱，目前，这一波段的光学元器件和及其实际应用还有待开发，故又称之为“太赫兹空隙”波段。

传统透镜是通过塑造透镜的形状从而改变光程差来实现成像的，加工要求普遍苛刻，而且难以满足集成化、微型化的现代化要求。此外，传统透镜还受到衍射极限的限制，无法实现更高分辨率成像。通过对自然界物质的裁剪、加工得到的一类人工材料（超材料）可具备自然界物质难以甚至无法具备的一些光学性质，如负折射率、旋光性、类电磁感应透明和超吸收等奇异的光学性质。这类超材料在太赫兹波段光学元器件（如透镜）方面有着广泛的应用前景。

当前多数超材料的是由金属如金、银和铜等物质是构成，然而金属自身过高的焦耳损耗严重影响着这类金属基超材料元器件的性能。本征半导体和陶瓷等低损耗介质类物质也可用于构建太赫兹超材料（介质基超材料），但其内部电磁共振强度太微弱，导致介质基超材料元器件的性能普遍较低。此外，现有超材料透镜中的共振单元通常是一种非圆心对称结构，导致现有超材料透镜成像只能局限于一种或两种特殊偏振态的电磁波，因此，极大地限制了超材料透镜的应用范围。

众所周知，掺杂半导体作为新型等离子材料重要分支之一，其物理性质游离于金属和介质之间，在太赫兹波段的光学损耗远低于金属，实际上也可用于构建损耗较低的超材料；与此同时，还可用于制备片上集成型光学透镜等元器件。为解决这些问题，本发明设计了偏振不敏感太赫兹掺杂半导体超材料透镜，不仅填补了太赫兹波段聚焦成像平板透镜的空白，也为其它偏振不敏感低损耗太赫兹超材料元器件设计提供了一种新思路，对未来高性能、集成型光学元器件设计开发具有重要意义。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种偏振不敏感太赫兹掺杂半导体超材料平板透镜。

本发明采用的技术方案是：一种偏振不敏感太赫兹掺杂半导体超材料平板透镜，其特征在于：所述超材料平板透镜是由多个圆中心对称分布的亚波长掺杂半导体单元构建的超材料制成的平板透镜，所述平板透镜的上下二半部分掺杂半导体的掺杂浓度都不相同，上半部分掺杂半导体的掺杂浓度从内到外呈梯度递增，下半部分掺杂半导体的掺杂浓度从内到外呈梯度递减。

所述平板透镜的上半部分的掺杂浓度从内到外分别为1×10²³m^-3、1.5×10²³m^-3、2×10²³m^-3、4×10²³m^-3、1.2×10²⁴m^-3；下半部分的掺杂浓度从内到外分别设为9.5×10²²m^-3、8.5×10²²m^-3、8×10²²m^-3、6×10²²m^-3、9.6×10²¹m^-3。

所述平板透镜的上半部分的相位突变相对值从内到外分别为1°、4°、10°、18°、28°，下半部分的相位突变相对值从内到外分别为-1°、-4°、-10°、-18°、-28°。

本发明偏振不敏感太赫兹掺杂半导体超材料平板透镜的制备方法，包括如下过程：（1）以亚波长单元构建的方形本征gaas作为衬底，利用外延生长技术获得用于制作圆柱共振体的本征gaas层；（2）设计掩模版，并用应用掩模光刻或腐蚀gaas层，获取圆柱体阵列；（3）最后，利用离子注入技术对圆柱体阵列的各圈上半部分和下半部分分别进行不同浓度的掺杂半导体，上半部分掺杂半导体的掺杂浓度从内到外呈梯度递增，下半部分掺杂半导体的掺杂浓度从内到外呈梯度递减，去除掩模板、清洗、烘干即可完成所述超材料透镜。

本发明掺杂半导体可以分为n型掺杂半导体和p型掺杂半导体，掺杂形成的自由载流子，其浓度和分布对整个掺杂半导体的光学性质（如等离子频率、阻尼系数和电导率等）均有影响。掺杂半导体类似于金属具有等离子性质，利用掺杂半导体材料构建的等离子结构在电磁波作用下，可产生电磁共振响应。通常，产生电共振响应时，电磁波长远大于等离子结构，此时该等离子结构可看作是一个微电磁共振体（或电偶极子）。当电磁波遇到共振单元时，电磁波与共振单元相互作用：电磁波激发掺杂半导体内部自由载流子形成共振运动，而自由载流子将耦合进来的电磁波一部分以电磁波的形式辐射形成电磁波，另一部分电磁波以热能量形式被自由载流子共振吸收，而未被耦合进来的电磁波则被反射回去。根据电磁波传输理论和电磁共振理论，相对于入射电磁波，透射电磁波的相位的突变量与共振单元的结构形状和物质光学性质有关，本发明通过合理地设计掺杂半导体结构的形状尺寸或掺杂浓度，即可实现期望的所述透镜。

本发明的优点：

1、本发明透镜是由亚波长单元构建的超材料制成，相对传统透镜，体积可更小；其次，是一种平板透镜，因此相对传统曲面透镜，更易于制备和集成。

2、本发明透镜是利用掺杂半导体物质制备，相对于现有的金属基超材料透镜，损耗更小，且其参数更易通过外部场（电场或光场等）直接调控。

3、本发明是通过半导体掺杂浓度的梯度变化实现透镜的相位渐变，不同于现有超表面通过形状渐变实现透镜的相位渐变，本发明结构形状简单，易于设计，且性能参数调控范围更广。

4、本发明透镜是利用近似圆中心对称分布的亚波长单元构建，相对于现有超材料或超表面透镜，具有更强的偏振不敏感性。

附图说明

图1为本发明平板透镜成像的基本原理图；

图2为本发明平板透镜掺杂半导体超材料的部分结构示意图；

图3为本发明不同掺杂掺杂浓度下透射突变相位角的相对值。

具体实施方式

本发明是一种偏振不敏感太赫兹掺杂半导体超材料平板透镜，是由多个圆中心对称分布的亚波长掺杂半导体单元构建的超材料制成的平板透镜，所述平板透镜的上下二半部分掺杂半导体的掺杂浓度都不相同，上半部分掺杂半导体的掺杂浓度从内到外呈梯度递增，下半部分掺杂半导体的掺杂浓度从内到外呈梯度递减。其制备方法是：（1）首先以亚波长单元构建的方形本征gaas作为衬底，衬底的边长和厚度分别为3168μm和100μm，在衬底上利用外延生长技术获得用于制作圆柱共振体的本征gaas层；（2）接着设计掩模版，并用应用掩模光刻或腐蚀gaas层，获取圆柱体阵列；（3）最后，利用离子注入技术对圆柱体阵列的各圈上半部分和下半部分分别进行不同浓度的掺杂，上半部分掺杂半导体的掺杂浓度从内到外呈梯度递增，下半部分掺杂半导体的掺杂浓度从内到外呈梯度递减，去除掩模板、清洗、烘干即可完成所述超材料透镜。

本发明平板透镜成像的基本原理如图1：

ab为透镜，透镜两侧为空气。电磁波从y轴左侧沿x轴入射，经透镜ab折射汇聚于焦点f。根据广义斯涅尔折射定律，透镜从o到a的上半部分和从o到b的下半部分的相位梯度绝对值|dφ(y)/dy|相同，且满足

其中λ为电磁波在真空中的波长，φ(y)是透镜沿y轴正方向的突变相位分布，设定电磁波在超材料平板透镜上分布圆半径为r=ao=bo，焦距为f=of，则超材料平板透镜的突变相位分布函数φ(y)，须满足

其中，y满足条件。

本发明掺杂半导体超材料参数可利用麦克斯韦方程和相应的边界条件获取。

本发明实施例通过选择不同掺杂浓度的共振单元实现该平板透镜要求的突变相位分布。n型或p型掺杂的半导体均可实现该平板透镜。本发明实施例选择n型掺杂gaas半导体物质来构建该平板透镜。超材料透镜衬底材料选择本征gaas半导体物质。为实现该平板透镜对电磁波偏振不敏感的特性，不仅要求共振体元是一种圆对称结构，如球体、圆柱形体、圆环体、圆锥体结构等，还要求共振体分布近似满足轴对称中心分布。本发明实施例选择圆柱体结构作为共振体，分布方式：圆柱体共振体离周围最近的共振体的距离相等，共振体按中心对称均匀分布，部分结构如图2所示。

避免周围共振单元近场效应影响，该平板透镜中共振体的间距不得小于圆柱半径。本发明实施例单元间距选择圆柱半径的1倍长度。

由于超材料具有尺寸缩放效应，即：通过等比例缩放超材料单元的尺寸，可实现不同工作波长的超材料光学元器件。本实施例工作波长（或频率）为600μm（或0.5thz），共振体的圆柱半径为60μm、圆柱高度为6μm，相邻圆柱体轴线间距离为120μm。

通过仿真软件计算获知上述共振单元在上述工作波长下的透射突变相位角的相对值φ(y)随掺杂浓度的变化情况，如图3所示。

本发明实施例平板超材料透镜焦距f=6000μm，入射电磁波在超材料平板透镜投影半径为2640μm，共振圆柱体呈中心对称分布5圈，部分结构如图2所示。根据上述公式（2）可知，上半部分（实心填充示意）共振圆柱体相位突变相对值分别为1°、4°、10°、18°、28°；进一步，根据图3结果，第“1”，“2”，“3”，“4”，“5”圈上半部分（实心填充示意）共振圆柱体的掺杂浓度分别为1×10²³m^-3、1.5×10²³m^-3、2×10²³m^-3、4×10²³m^-3、1.2×10²⁴m^-3。类似地，第“1”，“2”，“3”，“4”，“5”圈下半部分（纹理填充示意）共振圆柱体相位突变相对值分别为-1°、-4°、-10°、-18°、-28°，对应的浓度分别设为9.5×10²²m^-3、8.5×10²²m^-3、8×10²²m^-3、6×10²²m^-3、9.6×10²¹m^-3。

本实施例超材料平板透镜以方形本征gaas作为衬底，衬底的边长和厚度分别为3168μm和100μm，可通常规半导体工艺流程制备，制备过程为：首先在衬底上利用外延生长技术获得用于制作圆柱共振体的本征gaas层；接着设计掩模版，并用应用掩模光刻或腐蚀gaas层，获取圆柱体阵列；最后，利用离子注入技术对圆柱体阵列的各圈上半部分和下半部分分别进行不同浓度的掺杂，上半部分掺杂半导体的掺杂浓度从内到外呈梯度递增，下半部分掺杂半导体的掺杂浓度从内到外呈梯度递减，去除掩模板、清洗、烘干即可完成所述超材料透镜。

最后应说明的是：以上实施仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。