CN106896429B

CN106896429B - 一种基于金属平板的太赫兹透镜

Info

Publication number: CN106896429B
Application number: CN201710273122.1A
Authority: CN
Inventors: 郎婷婷; 吴梦茹; 韩张华
Original assignee: China Jiliang University
Current assignee: China Jiliang University
Priority date: 2017-04-19
Filing date: 2017-04-19
Publication date: 2018-05-18
Anticipated expiration: 2037-04-19
Also published as: CN106896429A

Abstract

本发明公开了一种基于金属平板的太赫兹透镜，所述透镜由至少三个平行排列、间隔不等、长度一致的金属平板，金属平板间的填充材料以及金属平板的支架组成，其中各个金属平板的厚度以及长度由入射光的偏振态和透镜的相位分布要求共同决定。所述透镜的工作过程如下，光源输出的太赫兹波段电磁波信号在经过了物镜准直以及线性偏振片偏振转换之后成为准直平行的线偏振光束，光束照射到所述透镜后发生聚焦，最终由接收器接收到聚焦后的光学信号。本发明提出的基于金属平板的太赫兹透镜相较于传统几何透镜具有色散小、欧姆损耗低、耦合效率高、结构简单等优点。

Description

一种基于金属平板的太赫兹透镜

技术领域

本发明涉及一种基于金属平板的太赫兹透镜，涉及波导导波领域。

背景技术

太赫兹技术被美国评为“改变未来世界的十大技术”之一，被日本列为“国家支柱十大重点战略目标”之首。在几乎所有的太赫兹系统中，都需用透镜进行准直和聚焦，以满足系统线性化和紧凑化需求。透镜尤其用于太赫兹成像系统收发前端，起聚焦光束的作用，在太赫兹成像系统中具有非常重要的地位。金属在太赫兹波段具有极高的介电常数，相当于一个完美电导体(Perfect Electric Conductor，PEC)，太赫兹辐射无法穿透导电的物体，电磁波在金属表面几乎全部反射，因此对于大多数电磁辐射，金属都是不透明的。太赫兹波在金属平板波导中传播时，群速度随频率变化不大，基本不产生色散，因此能有效抑制传输模中因群速度色散而产生的脉冲展宽，脉冲传输失真小。使用金属板在太赫兹波段制作平板波导时，电磁波在导波层传播发生全反射时几乎不会出现由于衰减导致的倏逝波，没有古斯-汉森位移。目前太赫兹系统使用的透镜主要分为几何透镜和超表面透镜。几何透镜中相位调制是通过光程差的积累引起的，因此这些光学元件往往比较笨重且尺寸远大于波长，不利于系统的轻型化和集成化。超表面透镜基本原理是纳米结构金属表面电磁场的共振效应，相位调制不依赖于光学元件的厚度，具有效率高，厚度小的优点，相较于传统透镜优势明显。超表面太赫兹透镜的文章有Jiang X Y，Ye J S，He J W，et al.“Anultrathin terahertz lens with axial long focal depth based on metasurfaces，”[J].Optics Express，2013，21(24)：30030.，Takebayashi Y，Konno T，Shimada S，et al.“Focusing effect measurements of artificial dielectric multilayer lens withmetal rectangular chips for terahertz wave band，”[J].Applied Physics A，2014，115(2)：501-508.，Yang Q，Gu J，Wang D，et al.“Efficient flat metasurface lens forterahertz imaging，”[J].Optics Express，2014，22(21)：25931.等，这些超表面太赫兹透镜具有超薄，聚焦效率高的优点，但是实验制作方面需要聚焦离子束刻蚀或者电子束光刻的方法，或是需要用到绝缘体上硅(SOI)，制作复杂，价格昂贵。在Mendis R，Nagai M，WangY，et al.“Terahertz Artificial Dielectric Lens，”[J].Scientific Reports，2016，6。这篇文章中提出，将金属片按照相位分布等间隔平行排列，同时利用化学腐蚀的方法将每片金属片腐蚀出曲率半径不同的圆弧形状，各个曲率半径不同的金属片平行排列产生聚焦效果，这种平行排列金属片的方法相较于之前方法简单，但是化学腐蚀金属平板这种实验方法具有操作危险，精度难控制的缺点。应用超表面结构聚焦电磁波时不可避免的会在电磁波传播过程中产生色散以及欧姆损耗，因此设计简单制作的透镜同时降低电磁波传播过程中产生的色散以及欧姆损耗成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种色散小、欧姆损耗低、耦合效率高、结构简单的一种基于金属平板的太赫兹透镜。

技术方案：

本发明提出的一种基于金属平板的太赫兹透镜，其特征在于由至少三个平行排列、间隔不等、长度一致的金属平板、金属平板间的填充材料以及金属平板的支架组成。

所述金属平板的材料为金属，其在太赫兹波段的电导率要大于10⁷S/m。

所述金属平板的厚度必须大于金属在太赫兹波段的趋肤深度，并且由所述金属平板所引起的相位变化Φ＝βL要满足透镜的相位分布要求其中L为所述金属平板的长度，n为整数，λ为设计波长，f为透镜焦距，x为x方向的坐标位置，Φ₀为初始相位，β为单个金属平板单元结构的传播常数，由入射光的偏振态和金属平板间的间隔大小共同决定。

所述金属平板间的填充材料是空气。

所述金属平板的支架的材料为聚合物聚丙酯。

所述金属平板的周期固定，且要小于或等于入射波长。

有益效果：

1.本发明在传播太赫兹波时电磁波被限制在两片金属板之间传播，被金属板完美反射，波形和光谱几乎不扭曲，因此色散较小。

2.本发明与其他太赫兹透镜相比，只由不同厚度金属板按照一定间隔平行堆栈组成，结构简单，易于制作。

3.本发明与其他太赫兹透镜相比，具有欧姆损耗低、耦合效率高的优点。

附图说明

下面结合附图及具体方式对本发明作进一步说明。

图1是本发明的结构示意图。

图2为本发明中单个平行金属平板单元结构在入射光的波长λ₀＝1mm，金属平板间隔d＝0.1～1mm范围内的透过率谱曲线示意图，图中插图为单个平行金属平板单元结构的示意图。

图3为本发明中单个平行金属平板单元结构在入射光的波长λ₀＝1mm，金属平板间隔d＝0.1～1mm范围内的相位谱曲线图，图中插图为单个平行金属平板单元结构的示意图。

图4为本发明中实施例1，设计太赫兹透镜焦距为f＝10mm时得到的xz截面电场分布图。

图5为本发明中实施例1，在焦点z＝10.5mm截面处测得的电场强度曲线图。

图6为本发明中实施例2，设计太赫兹透镜焦距为f＝15mm时的xz截面电场分布图。

图7为本发明中实施例2，在焦点z＝15.5mm截面处测得的电场强度曲线图。

具体实施方式

正如背景技术部分所述，如何设计出一种色散小、欧姆损耗低、耦合效率高、结构简单的太赫兹波段超薄透镜，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，是本发明的基于金属平板的太赫兹透镜结构示意图，图中以八块金属平行平板为例，具有七个周期。图中(1)为平行排列、间隔不等、长度一致的金属平板，(2)为金属平板间的填充材料空气，(3)为金属平板的支架，材料为聚合物聚丙酯。p为金属平板的周期，d为相邻平行金属板之间的间隔，d的下标代表距透镜中间的第几块金属平板，L为金属平板的长度，电磁波沿z方向传播，且为正入射。入射光是TE模式的线性偏振光，电场的振动方向是y方向，磁场的振动方向是x方向。

一种基于金属平板的太赫兹透镜，包括：至少三个平行排列、间隔不等、长度一致的金属平板(1)、金属平板间的填充材料(2)以及金属平板的支架(3)如图1所示。在太赫兹波段具有极高的介电常数，相当于一个完美电导体(Perfect Electric Conductor，PEC)，太赫兹辐射无法穿透导电的物体，电磁波在金属表面几乎全部反射，因此对于大多数电磁辐射，金属都是不透明的。太赫兹波在金属平板间传播时，群速度随频率变化不大，基本不产生色散，因此能有效抑制传输模中因群速度色散而产生的脉冲展宽，脉冲传输失真小。平行金属板透镜由一些平行的金属板排列而成，电磁波通过这种透镜时，类似于电磁波在波导中传输一样。根据惠更斯原理，从相邻金属平板间发出的衍射光波可以作为单独的点光源，这些点光源具有新的初始电场强度和相位分布，因此这些点光源之间的干涉可以产生特定的干涉图案。当入射光为TE偏振态时，会在金属平板波导中激发出工作模式为TE₁的模式，TE₁模式下的传播常数是k为真空波矢，d为平行金属平板之间的间隔，L为金属平板的传播长度，传播常数的定义为单位距离上的相位变化，因此有相位延迟Φ＝βL。原理是太赫兹波在金属平板阵列传播时会在金属平板单元结构的空气-金属界面产生突变相移，这个突变相移由入射光的偏振态和金属平板间的间隔大小共同决定。通过不同厚度金属平板单元结构阵列按照等周期排列使不同位置的突变相移组合满足一个柱面波的相位要求，从而达到聚焦的效果。

本实施例金属平板工作在TE₁模，工作模式为TE₁模的金属平板具有传播常数图2为单个平行金属平板单元结构在入射光波长λ₀＝1mm，金属平板间隔d＝0.1～1mm范围内的透过率谱曲线示意图。金属材料选择为铜，入射光为TE偏振。由于TE₁模式下截止波长λ_c＝2d，当d＜λ_c/2时传播常数β为纯虚数，没有传播发生，透过率为0，只有d≥λ_c/2本结构才能处于导模模式，即当d≥λ_d/2＝0.5mm时才可以传播电磁波。当d＝0.5mm时波导传播常数为0，刚好可以传播电磁波，透过率很低约为20％；当d＞0.5mm时，处于导模状态，透过率几乎为常数，平均透过率约为90％。图3为单个平行金属平板单元结构在入射光波长λ₀＝1mm，金属平板间隔d＝0.1～1mm范围内的相位谱曲线示意图。当d＜0.5mm时波导截止，传播常数β为纯虚数，相位为0；当d＝0.5mm时波导传播常数为0，相位为0；当d＞0.5mm时，传播常数β为实数，相位随d变化。透镜具有相位分布：x为x方向的坐标位置，结合图2和图3合理设置金属平板厚度使得d＝d(x)符合透镜的相位分布即可产生聚焦效果。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

实施例1：

设计一个工作波长为λ_d＝1mm，Φ₀＝1.66π，聚焦长度f＝10mm的透镜实例，周期p＝1mm，由十八块金属平板构成，具有十七个金属平板间隙，根据传播常数公式和相位分布公式计算出与相位对应的d的值，如下表1。

表1

	d₀	d₁	d₂	d₃	d₄	d₅	d₆	d₇	d₈
										x(mm)	0	±1	±2	±3	±4	±5	±6	±7	±8
Φ(π)	1.66	1.56	1.26	0.78	0.12	1.3	0.34	1.25	0.05
										d(mm)	0.9	0.8	0.645	0.54	0.501	0.655	0.507	0.64	0.5

按照表1中的对应关系平行排列金属板，产生图4所示的电场强度分布。图4为本发明中实施例1设计太赫兹透镜焦距为f＝10mm时得到的xz截面电场分布图，从图中可以看出电磁波传播通过本实施例中基于金属平板的太赫兹透镜(端口在z＝0.5mm)之后开始会聚，并且在z＝10.5mm处可以观察到明显的电磁波聚焦现象，出现聚焦光斑，与设计相符合。图5为本发明中本实施例在焦点z＝10.5mm截面处测得的电场强度曲线图，从图中计算出焦斑的半高全宽约为1mm，接近本实施例结构的衍射极限λ/2NA＝0.77λ＝0.77mm，其中NA是透镜的数值孔径，根据透镜尺寸和焦距计算得到为0.65mm，聚焦效果良好。

实施例2：

在本发明的另一个具体实施例中，设计一个工作波长为λ_d＝1mm，Φ₀＝1.66π，聚焦长度f＝15mm的透镜实例，周期p＝1mm，由二十八块金属平板构成，具有二十七个金属平板间隙，由传播常数公式和相位分布公式计算出与相位对应的d的值，如下表2。

表2

	d₀	d₁	d₂	d₃	d₄	d₅	d₆	d₇	d₈	d₉	d₁₀	d₁₁	d₁₂	d₁₃
															x(mm)	0	±1	±2	±3	±4	±5	±6	±7	±8	±9	±10	±11	±12	±13
Φ(π)	1.66	1.56	1.39	1.07	0.61	0.04	1.35	0.55	1.66	0.67	1.6	0.46	1.24	0
															d(mm)	0.9	0.82	0.695	0.59	0.525	0.5	0.677	0.52	1.66	0.531	0.83	0.514	0.637	0.5

按照表2中的对应关系平行排列金属板，产生图6所示的电场强度分布。图6为本发明中实施例2设计太赫兹透镜焦距为f＝15mm时的xz截面电场分布示意图，从图中可以看出电磁波传播通过本实施例中基于金属平板的太赫兹透镜(端口在z＝0.5mm)之后开始会聚，并且在z＝15.5mm处可以观察到明显的电磁波聚焦现象，出现聚焦光斑，与设计相符合。图7为本发明中实施例2在焦点z＝15.5mm截面处测得的电场强度曲线示意图，从图中计算出焦斑的半高全宽约为0.92mm，接近本实例结构的衍射极限λ/2NA＝0.75λ＝0.75mm，聚焦效果良好。

由上述表格可以看出，实施例2相比于实施例1不仅焦距变大，而且狭缝数目也增多了。这是由于当焦距变大时，增大增加结构的横向尺寸可以使得半高全宽更小，聚焦效果更好。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims

1.一种基于金属平板的太赫兹透镜，其特征在于：由至少三个平行排列、间隔不等、长度一致的金属平板(1)、金属平板间的填充材料(2)以及金属平板的支架(3)组成；所述金属平板(1)的厚度必须大于金属在太赫兹波段的趋肤深度，并且由所述金属平板(1)所引起的相位变化Φ＝βL要满足透镜的相位分布要求其中L为所述金属平板(1)的长度，n为整数，λ为设计波长，f为透镜焦距，x为x方向的坐标位置，Φ₀为初始相位，β为单个金属平板单元结构的传播常数，由入射光的偏振态和金属平板间的间隔大小共同决定；所述金属平板的支架(3)为聚合物聚丙酯。

2.根据权利要求1所述的一种基于金属平板的太赫兹透镜，其特征在于：所述金属平板(1)的材料为金属，其在太赫兹波段的电导率要大于10⁷S/m。

3.根据权利要求1所述的一种基于金属平板的太赫兹透镜，其特征在于：所述金属平板间的填充材料(2)是空气。

4.根据权利要求1所述的一种基于金属平板的太赫兹透镜，其特征在于：所述金属平板的周期固定，且要小于或等于入射波长。