一种偏轴太赫兹超表面反射透镜制造技术

本发明专利技术提供了一种偏轴太赫兹超表面反射透镜，属于太赫兹技术领域。该偏轴太赫兹超表面反射透镜包括按一定规则排布的谐振单元阵列；调整谐振单元的结构和尺寸，使其反射相位在0～2π之间梯度改变；对偏轴太赫兹超表面反射透镜的相位进行多级离散化，得到离散后的相位值；利用不同相位的谐振单元和偏轴太赫兹超表面反射透镜的相位分布关系，根据偏轴太赫兹超表面反射透镜特性要求排布谐振单元阵列；当太赫兹波入射到谐振单元阵列反射后，在焦平面上即可形成偏轴聚焦光斑，从而减小反射太赫兹波聚焦时的球差和色差。本超表面反射透镜体积小、制备成本低，可为实现太赫兹系统的小型化应用提供有效手段。应用提供有效手段。应用提供有效手段。

【技术实现步骤摘要】
一种偏轴太赫兹超表面反射透镜


[0001]本专利技术涉及太赫兹
，特别涉及一种工作在太赫兹频段的基于超表面技术的偏轴超表面反射透镜。
技术背景
[0002]太赫兹波是指频率在100GHz到10THz之间、波长在30μm到3mm之间、介于微波和红外波的一段电磁波。由于其具有光子能量低、对许多非极性材料如塑料、纤维等的强穿透性、对大多数极性分子如水、氨气等的强吸收性，以及宽带性等特点，在工业、军事、通信和生物等领域具有广阔的应用前景，主要包括光谱成像、无损检测、安全检查、生物医疗、深空探测和宽带通信等方面。
[0003]在太赫兹光谱、成像，以及太赫兹无线通信等系统中，由于缺乏紧凑高效的太赫兹元件，太赫兹应用系统在集成度、体积、功耗和成本等方面的性能受到了限制，太赫兹应用系统整体较为庞大和复杂，且价格昂贵，发展小型化的太赫兹系统成为太赫兹技术发展的重要环节。
[0004]传统的太赫兹元件采用特定的材料制备出特定形状，通过在光传播路径上逐渐累积的幅度、相位以及偏振状态的变化来调控光的传播方式。通常而言，传统太赫兹元件的厚度远远超过波长，尺寸较大，很难与其他太赫兹元器件相集成，并且需要采用精密加工技术，工艺复杂且对加工精度的要求较高。超表面是一种二维结构的人工超材料，其利用不同尺寸或形状的亚波长谐振结构单元对入射电磁波的不同响应来改变近场电磁波的振幅、相位以及偏振状态，进而实现对远场电磁波的调控。不同于传统太赫兹元件，超表面的厚度能够缩减到亚波长量级，可采用标准微纳加工工艺制备，工艺流程简单，成本较低，因此基于超表面技术实现的平面太赫兹元件有望替代传统太赫兹元件，有利于太赫兹应用系统的小型化和集成化发展。
[0005]反射透镜是太赫兹元件中应用最基础和最广泛的一种，针对太赫兹波段的传统反射透镜的基底材料通常为石英玻璃、微晶玻璃或高阻硅，通过在其表面镀金、银或铝膜等来实现对太赫兹波的高反射率。如果要实现对入射太赫兹波的聚焦准直效果，往往需要将其表面制成特殊设计的抛物面形状，这种抛物面反射镜的体积较大且加工难度较高，限制了其进一步的应用。基于超表面技术的太赫兹反射透镜是一种平面光学元件，不仅可以消除反射太赫兹波聚焦时的球差和色差问题，而且具有尺寸小、易于集成的特点，在高集成度太赫兹探测集成系统中具有潜在的应用价值。通常，基于超表面的太赫兹反射透镜在实际应用于太赫兹系统中时，其反射的太赫兹波束光轴与超表面透镜中心必须保持在同一轴线上，以保证探测和成像质量，这在很大程度上限制了反射太赫兹波的位置，在太赫兹成像系统中则制约了成像物体的位置，普通太赫兹超表面反射透镜无法满足在太赫兹应用系统集成化时对光轴位置灵活可控的特殊要求。

技术实现思路

[0006]本专利技术提出了一种基于超表面技术的偏轴太赫兹超表面反射透镜，该偏轴反射透镜能够对一定偏轴入射太赫兹波产生反射聚焦，并且可根据实际需求灵活控制反射太赫兹波束中心轴的位置，使其在诸多场景中得到充分利用。
[0007]本专利技术提供的技术方案是：
[0008]一种偏轴太赫兹超表面反射透镜，包括按一定规则排布的谐振单元阵列；所述谐振单元的基本结构是上层为金属谐振子阵列，中间为介质层，下层为金属地线层。其特征是：调整谐振单元的结构和尺寸，使其反射相位在0～2π之间梯度改变；对偏轴太赫兹超表面反射透镜的相位进行多级离散化，得到离散后的相位值；利用不同相位的谐振单元和偏轴太赫兹超表面反射透镜的相位分布关系，根据偏轴太赫兹超表面反射透镜特性要求排布谐振单元阵列；当太赫兹波入射到谐振单元阵列反射后，在焦平面上即可形成偏轴聚焦光斑。
[0009]所述金属谐振子阵列特征尺寸为亚工作波长，调节尺寸使其反射相位在0～2π之间，并使其与入射电磁波的电场发生谐振作用，实现对不同位相太赫兹波的高效反射。所述金属谐振子的俯视形状是圆形、正方形、口字形、十字形极化不敏感型，以及长方形、三角形、劈裂环形、V形、U形或L形极化敏感型，从而适用于不同偏振入射的太赫兹波。
[0010]所述介质层是聚酰亚胺、聚对二甲苯、聚二甲基硅氧烷、苯并环丁烯材料，根据不同材料的介电常数调整介质层厚度，使其与入射电磁波的磁场发生谐振作用，实现对不同位相太赫兹波的高效反射。
[0011]所述金属地线层是一层金属材料，使其厚度大于入射太赫兹波的趋肤深度，实现太赫兹波的高效反射。
[0012]所述谐振单元是一层、两层或多层的纵向叠层结构，还可以是横向不同尺寸和结构排布的复合结构，实现宽带和高反射率偏轴太赫兹超表面反射透镜。
[0013]所述偏轴太赫兹超表面反射透镜的相位分布根据公式(1)计算：
[0014][0015]其中，为谐振单元在太赫兹超表面坐标(x，y)处的相位，λ为工作波长，dx和dy分别为其反射波束中心轴相比反射透镜中心在x和y轴方向上的偏移量，f为反射透镜的焦距，具有此相位分布的超表面可以实现对入射平面电磁波的偏轴聚焦。
[0016]本专利技术的有益效果：
[0017]本专利技术提出了一种工作在太赫兹波段的基于超表面技术的偏轴反射透镜。该偏轴太赫兹超表面反射透镜具有以下几点优势：
[0018]1)相比普通无偏轴超表面反射透镜，偏轴太赫兹超表面反射透镜聚焦的太赫兹波束中心轴相对透镜中心可产生一定的偏移，即在焦点处的较大区域内，都可由该反射透镜对太赫兹波束聚焦，使其在诸多太赫兹系统中具有重大应用价值。
[0019]2)该偏轴太赫兹超表面反射透镜具有制备工艺简单，与标准微纳加工工艺兼容，尺寸小和平面化优势，有利于实现太赫兹系统的集成化和小型化。
[0020]3)该偏轴太赫兹超表面反射透镜通过调节金属谐振子的尺寸实现了对太赫兹波的2π相位调控，并且为了兼顾设计简单和相位连续性，对偏轴太赫兹超表面反射透镜的相
位分布进行了离散化，根据不同尺寸谐振结构反射特性仿真结果选取基本反射单元，可；灵活设计出偏轴太赫兹超表面反射透镜。
[0021]4)本专利技术提出的工作在太赫兹波段的基于超表面技术的偏轴太赫兹反射透镜所采用的金属谐振子结构当设计为旋转对称结构时，对入射太赫兹波的极化不敏感；当其为非旋转对称结构时，能够设计成偏振敏感的偏振太赫兹超表面反射透镜。此外，本专利技术提出通过改变金属谐振子的尺寸来实现对太赫兹波的相位调控，并且本专利技术还对0～2π相位进行多级离散化，保证了设计的简单性和相位的连续性。
附图说明
[0022]图1为本专利技术具体实施例偏轴太赫兹超表面反射透镜的二维离散相位分布图；
[0023]图2为本专利技术具体实施例偏轴太赫兹超表面反射透镜的谐振单元结构示意图；
[0024]图3为本专利技术具体实施例偏轴太赫兹超表面反射透镜的聚焦性能理论计算图；
[0025]图4为本专利技术具体实施例偏轴太赫兹超表面反射透镜的版图；
[0026]图5为本专利技术具体实施例偏轴太赫兹超表面反射透镜的器件图；
[0027]图6为本专利技术具体实施例偏轴太赫兹超表面反射透镜的聚焦性能实际测试结果。
具体实施方式...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种偏轴太赫兹超表面反射透镜，包括按一定规则排布的谐振单元阵列；所述谐振单元的基本结构是上层为金属谐振子阵列，中间为介质层，下层为金属地线层，其特征是：调整谐振单元的结构和尺寸，使其反射相位在0～2π之间梯度改变；对偏轴太赫兹超表面反射透镜的相位进行多级离散化，得到离散后的相位值；利用不同相位的谐振单元和偏轴太赫兹超表面反射透镜的相位分布关系，根据偏轴太赫兹超表面反射透镜特性要求排布谐振单元阵列；当太赫兹波入射到谐振单元阵列反射后，在焦平面上即可形成偏轴聚焦光斑。2.如权利要求1所述的偏轴太赫兹超表面反射透镜，其特征是：所述金属谐振子阵列特征尺寸为亚工作波长，调节尺寸使其反射相位在0～2π之间，并使其与入射电磁波的电场发生谐振作用，实现对不同位相太赫兹波的高效反射。3.如权利要求1所述的偏轴太赫兹超表面反射透镜，其特征是：所述金属谐振子的俯视形状是圆形、正方形、口字形、十字形极化不敏感型，以及长方形、三角形、劈裂环形、V形、U形或L形极化敏感型，从而适用于不同偏...

【专利技术属性】
技术研发人员：于晓梅，缪佳豪，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：