一种焦距可调的太赫兹透镜及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种焦距可调的太赫兹透镜及其制备方法和应用，其包括相对设置的第一基板和第二基板以及液晶层，第二基板靠近第一基板的一侧设有介质超构表面层，液晶层设置于第一取向层和第二取向层之间；第一取向层和第二取向层具有相同的取向方向，均为沿着入射太赫兹波的偏振方向的均一取向；液晶层的取向方向被上述取向层诱导，与上述取向层取向方向相同。本发明专利技术将液晶作为介质超构表面透镜的环境介质，通过加电调节液晶的晶轴指向方向，从而改变介质超构表面透镜的环境折射率，从而实现透镜焦距的动态连续改变，该动态功能可实现多功能的可调太赫兹超构透镜，解决了现有技术中太赫兹器件功能和应用单一的技术问题。

【技术实现步骤摘要】
一种焦距可调的太赫兹透镜及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种光学透镜及其制备方法和应用，特别是涉及一种焦距可调的太赫兹透镜及其制备方法和应用。
技术介绍
在电磁波谱上，太赫兹(THz)波段位于微波和红外波段之间，是电子学和光子学之间的过渡频段。曾因为对应的产生和探测技术的限制，这个波段成为波谱上最难捉摸的“太赫兹间隙”，也是最后一个没有被充分开发的波段。直到高功率太赫兹源和灵敏太赫兹探测器的出现开启了太赫兹的一系列潜在应用研究，如材料诊断、半导体表征、层析成像等，使太赫兹的研究从冷门变成引人注目的热点。该波段具有以下独特性质：太赫兹波的光子能量低，只有X射线的百万分之一，不会对生物组织产生电离的损害；很多材料和生物大分子的特征吸收，及分子间弱相互作用吸收都处于太赫兹频带，称为太赫兹“指纹谱”；太赫兹波在许多非金属、非极性材料中的吸收率较小，透过率较高，因此可用于探测这些材料内部的信息。上述特点让太赫兹成像技术在非接触式人体安检、工业产品无损探伤等领域有着广阔的应用前景。透镜是太赫兹成像系统中不可或缺的基础元件。常见的太赫兹透镜是由弯曲曲面的晶体或聚合物构成，依赖太赫兹波在透镜中传播相位的累积实现聚焦效果，是一种折射光学元件。这种器件笨重体积大，无法满足太赫兹系统集成化小型化的趋势。与传统的相位累积方法不同，近年来新兴的超构透镜(metalens)能够通过设计亚波长的金属或介质谐振单元来引入突变相位用于波前操控。迄今报道的超构透镜已实现超分辨率聚焦、宽带消色差聚焦、自旋选择聚焦等多种功能。与金属超构表面相比，介质超构表面具有更高的调制效率和与CMOS兼容的制造性能，使其具有更广阔的应用前景。普通超构透镜的功能是静态的，不能满足各种实际应用的要求。近年来，将超构表面与半导体、石墨烯、相变材料、超导体等功能材料相结合，实现超构表面的主动调谐已经成为研究的一大热点。然而，大多数的可调超构表面的结构单元都是均一的，使得它们的功能局限于光谱调谐，而不是动态的波前控制；进一步开发可调谐波前调控器件，例如外场可调的变焦透镜，对太赫兹成像应用具有极大的现实意义。但是，目前的焦距可调的太赫兹透镜在功能上仅是双焦点之间的动态切换，不能进行焦距的连续调谐；在原理上是液晶波片和超表面透镜的级联，体积较大，不利于太赫兹光学系统的集成。因此，急需一种可以进行焦距连续可调，高度集成化的太赫兹透镜。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种焦距可调的太赫兹透镜，其集成液晶和超构表面，该透镜可以实现不同焦距的连续动态调谐；本专利技术的目的之二是提供一种焦距可调的太赫兹透镜的制备方法；本专利技术的目的之三是提供一种焦距可调的太赫兹透镜的应用。技术方案：本专利技术的一种焦距可调的太赫兹透镜，包括相对设置的第一基板和第二基板以及位于所述第一基板和第二基板之间的液晶层；第一基板朝向第二基板的一侧设有第一取向层，第二基板朝向第一基板的一侧设有第二取向层，第二取向层和第二基板之间设有介质超构表面层；所述第一取向层和第二取向层具备相同的取向方向，均为沿着入射太赫兹波的偏振方向的均一取向；所述液晶层设于第一取向层和第二取向层之间，液晶层中液晶分子的取向方向为沿着入射太赫兹波的偏振方向的均一取向。即当入射太赫兹波的偏振方向为x方向时，第一取向层和第二取向层均沿着x方向的均一取向，进而诱导液晶分子进行取向；而液晶层中液晶分子的取向方向为沿着x方向的均一取向。当入射太赫兹波的偏振方向为y方向时，第一取向层和第二取向层均沿着y方向的均一取向，进而诱导液晶分子进行取向；而液晶层中液晶分子的取向方向为沿着y方向的均一取向。介质超构表面层包括介质柱结构，介质柱呈阵列状分布，位于不同阵列位置的介质柱具有不同的长参数(沿x方向)和宽参数(沿y方向)，这些参数的设计依据是能够满足对应位置所需的透镜相位以及较高的产生效率；介质柱的长宽参数根据不同位置所需的透镜相位来确定，而不同位置介质柱的高度和周期不变。其中，所述第一基板和第二基板的材质为在太赫兹波段具有较高折射率、透过率以及良好电导率的材料，其材质可选为本征硅或掺杂硅；所述第一取向层和第二取向层均为光控取向层，光控取向材料可选为偶氮染料类材料SD1。液晶层还包括位于第一基板和第二基板之间的间隔粒子，所述间隔粒子用于支撑第一基板和第二基板以形成液晶层的填充空间，入射光频率范围为0.6～1.4THz时，液晶层的厚度为200～300μm。优选地，所述介质超构表面层包括阵列分布的介质柱结构，位于不同阵列位置的介质柱具有相同的高度和周期、不同的长度和宽度。优选地，太赫兹波入射被液晶包覆的介质超构表面层时，介质柱结构产生的共振相位满足：其中，x为介质柱的长度方向所在位置坐标，y为介质柱的宽度方向所在位置坐标，f为透镜焦距，λ为太赫兹波的波长。本专利技术提供的太赫兹透镜的基本结构单元为被一定厚度的液晶层包覆的超构表面。超构表面是由人工制备的亚波长结构单元进行周期性的排列而成，能够对入射电磁波的相位、振幅、偏振进行调控。本专利技术中的介质超构表面层的结构单元是各向异性的柱体，如椭圆形介质柱、长方形介质柱等；并可通过前期的模拟设计，确定超构表面结构单元中不同位置的介质柱的长宽高参数以及结构单元的周期参数。其中，所述介质柱的横截面为椭圆形或长方形。优选地，介质超构表面的介质柱结构为长方形介质柱；当介质柱长和宽参数不同时，被液晶包覆的介质柱对电场矢量沿着长方向(x线偏振)的入射太赫兹波具有不同的有效折射率，导致出射的谐振相位的不同，通过在透镜的不同位置设置不同长宽参数的结构单元可以实现透镜的汇聚相位；对于某一个特定长宽参数的结构单元来说，可以通过在第一基板和第二基板上加电调控液晶晶轴的偏转方向，从而实现介质柱的环境折射率的变化，谐振相位会发生相应的变化，据此实现透镜焦距的可调特性。根据目标的太赫兹频率可以优化超构表面的结构参数从而优化调控效率，所述介质柱的横截面为长方形，入射太赫兹波的波长为λ，介质柱的长为l，宽为w，高为h，阵列周期为T，其中l＜λ/2，w＜2/2，h≈λ，λ/3＜T＜λ/2。如入射太赫兹波频率在1THz下，该介质柱阵列优选的参数为：长为10～120μm，宽为10～120μm，高为200～250μm，阵列周期为100～150μm。其中，第一取向层和第二取向层均为光控取向层，光控取向层的控制图形可擦写，光控取向层的材料为偶氮染料。优选地，所述液晶层的液晶为具有第一折射率和第二折射率的双折射率材料，当入射至所述太赫兹透镜的入射光频率范围为0.6～1.4THz时，第一折射率和第二折射率之间的差值为Δn，0.2≤Δn≤0.4；所述液晶层的取向为沿着x轴方向的均一取向。进一步地，该太赫兹透镜还包括位于第一基板和第二基板之间的间隔粒子，所述间隔粒子用于支撑基板和介质层以形成液晶层的填充空间；优选地，入射光频率范围为0.6～1.4THz时，液晶层的厚度为200～300μm。本专利技术还提供了上述焦距可调的太赫兹透镜的制备方法，包本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种焦距可调的太赫兹透镜，其特征在于：包括相对设置的第一基板和第二基板以及位于所述第一基板和第二基板之间的液晶层；第一基板朝向第二基板的一侧设有第一取向层，第二基板朝向第一基板的一侧设有第二取向层，第二取向层和第二基板之间设有介质超构表面层；所述第一取向层和第二取向层具备相同的取向方向，均为沿着入射太赫兹波的偏振方向的均一取向；所述液晶层设于第一取向层和第二取向层之间，液晶层中液晶分子的取向方向为沿着入射太赫兹波的偏振方向的均一取向。/n

【技术特征摘要】
1.一种焦距可调的太赫兹透镜，其特征在于：包括相对设置的第一基板和第二基板以及位于所述第一基板和第二基板之间的液晶层；第一基板朝向第二基板的一侧设有第一取向层，第二基板朝向第一基板的一侧设有第二取向层，第二取向层和第二基板之间设有介质超构表面层；所述第一取向层和第二取向层具备相同的取向方向，均为沿着入射太赫兹波的偏振方向的均一取向；所述液晶层设于第一取向层和第二取向层之间，液晶层中液晶分子的取向方向为沿着入射太赫兹波的偏振方向的均一取向。


2.根据权利要求1所述的焦距可调的太赫兹透镜，其特征在于：所述介质超构表面层包括阵列分布的介质柱结构，位于不同阵列位置的介质柱具有相同的高度和周期、不同的长度和宽度。


3.根据权利要求1所述的焦距可调的太赫兹透镜，其特征在于：太赫兹波入射被液晶包覆的介质超构表面层时，介质柱结构产生的共振相位满足：



其中，x为介质柱的长度方向所在位置坐标，y为介质柱的宽度方向所在位置坐标，f为透镜焦距，λ为太赫兹波的波长。


4.根据权利要求2所述的焦距可调的太赫兹透镜，其特征在于：所述介质柱的横截面为椭圆形或长方形。


5.根据权利要求4所述的焦距可调的太赫兹透镜，其特征在于：入射太赫兹波的波长为λ，所述介质柱的横截面为长方形，介质柱的长为l，宽为w，阵列周期为T；其中l＜2/2，w＜...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈志雄，葛士军，
申请(专利权)人：南京南辉智能光学感控研究院有限公司，南京宁萃光学科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32