CN107317117A - 与太赫兹光电导天线搭配使用的介质超表面准直透镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及太赫兹波段介质超材料，为提高基于光电导天线的太赫兹时域光谱系统的灵活度，设计生产一种体积小、易于集成且透射效率更高的器件来替换硅透镜与抛物面镜或者硅透镜与太赫兹透镜。本发明采用的技术方案是，与太赫兹光电导天线搭配使用的介质超表面准直透镜，由衬底层和二维微结构层两部分组成，衬底层是均匀厚度、各向同性的高阻硅层，衬底层的作用是为二维微结构层提供机械支撑，二维微结构层选用的材料同样是高阻硅；二维微结构层由带有圆柱型结构的四方晶格按照近似同心圆环方式排列构成，不同直径的圆柱结构对相位的调制深度不同，同心圆环中同一圈的圆柱结构直径相同。本发明主要应用于透射效率更高器件的设计制造。

Description

与太赫兹光电导天线搭配使用的介质超表面准直透镜

技术领域

本发明涉及太赫兹波段介质超材料，代替传统超半球高阻硅透镜用于带有平面光电导天线发射源的太赫兹系统中，实现太赫兹波的准直。具体讲,涉及与太赫兹光电导天线搭配使用的介质超表面准直透镜。

背景技术

近几年太赫兹技术成为电磁领域和光谱学领域的研究热点。太赫兹科学技术综合了电子学与光子学的特色，涉及物理学、化学、光学、材料科学、微波毫米波电子学等学科，是一个典型的交叉前沿学科。太赫兹波与红外波相比，散射小且穿透力强，与微波相比，成像分辨率高，与X射线相比，能量低、安全性更好。太赫兹技术在成像，光谱学，安全检测，无线通信等多种领域中都有很出色的应用。太赫兹发射源是太赫兹系统的核心，是限制整个太赫兹领域发展的重中之重。平面光电导天线(PCA)是目前应用较为广泛的太赫兹发射源之一，其发射太赫兹波的原理为：飞秒激光照射到平面光电导天线上，激发天线半导体基底中的载流子，光生载流子在外加偏压的作用下加速运动产生太赫兹波。在基于平面光电导天线产生太赫兹波的传统太赫兹时域光谱系统(TDS)中^[1]，平面光电导天线产生的太赫兹波近似于从点源发出的球面波，发散严重，与其配套使用的超半球高阻硅透镜^[2-4]负责将天线辐射的太赫兹波进行第一次会聚。超半球高阻硅透镜可使发散的太赫兹波在球形界面处折射，其作用结果是将高度发散的太赫兹波会聚成发散角较小的波束。超半球高阻硅透镜具有无色散、低吸收和各向同性的特点，其超半球结构也降低了全内反射带来的输出波损失。太赫兹波经过超半球高阻硅透镜的作用最终以34°的锥角发散出去^[4]，后面还需要抛物面镜或太赫兹透镜对太赫兹波进行再次会聚，才能将太赫兹波准直为平面波，由于抛物面镜和太赫兹透镜占用一定的空间，这将不利于实现太赫兹系统的小型化。通常，在太赫兹时域光谱系统中使用的超半球高阻硅透镜的直径约为1厘米，超半球硅透镜因球型的外廓而无法用光刻技术直接在天线上生长，因此存在与天线的对准问题和安装问题。更重要的问题是硅的折射率过大，在硅-空气界面，太赫兹波的反射损耗严重。

全介质超材料具有高透射率和可任意控制波阵面的良好性能，经过人为设计，可使其实现特定功能，在电磁频谱的各个波段都有很好的应用前景，例如完美反射体^[5]，磁镜^[6]和任意波前控制^[7]等，全介质超材料在太赫兹领域中有太赫兹吸收体^[8]，偏振控制器件^[9]和会聚透镜^[10]等应用。对于传统的体材料光学元件，元件体积大重量大，难于集成在微系统中，超材料能够克服体材料的这种弊端，而且设计灵活，加工工艺成熟，超薄轻便，易集成，在微系统中很有发展潜力。在太赫兹波段使用表面超材料去设计实现各种电磁功能器件，可以大大缩小器件的尺寸，有利于实现太赫兹系统的小型化。本发明专利就是一种全介质超材料，其目的是设计出一种高性能的介质超表面准直透镜，这种介质超表面准直透镜能代替传统太赫兹时域光谱系统中的硅透镜，将本专利设计的介质超表面准直透镜紧贴太赫兹平面光电导天线用以实现对太赫兹波的直接准直功能。这种介质超表面准直透镜是以带有不同直径圆柱的四方晶格作为单元结构，将单元结构按照近似同心圆环方式排列而成。这种介质柱型结构带有相位调控功能，在太赫兹波传播方向的垂直截面上，逐点去改变入射波相位，就可实现对整体波形的改变，排布后的这种介质超表面准直透镜可以使单频的发散的太赫兹球面波准直成近乎理想的平面波。更重要的是，虽然各点处介质柱有不同的相位调控能力，但是其透射率都比较高，保证了全介质超表面透镜在工作波长处的透射效率。光电导天线大类中有一类发射单频太赫兹波的光混频天线^[11]，也适合与本发明搭配使用。

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发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在提高基于光电导天线的太赫兹时域光谱系统的灵活度，设计生产一种体积小、易于集成且透射效率更高的器件来替换硅透镜与抛物面镜或者硅透镜与太赫兹透镜。本发明采用的技术方案是，与太赫兹光电导天线搭配使用的介质超表面准直透镜，由衬底层和二维微结构层两部分组成，衬底层是均匀厚度、各向同性的高阻硅层，衬底层的作用是为二维微结构层提供机械支撑，二维微结构层选用的材料同样是高阻硅；二维微结构层由带有圆柱型结构的四方晶格按照近似同心圆环方式排列构成，不同直径的圆柱结构对相位的调制深度不同，同心圆环中同一圈的圆柱结构直径相同。

当太赫兹波照射到二维微结构层时，二维微结构层的每一圆柱结构都会对入射的太赫兹波产生相位调制，在太赫兹波传播方向的垂直截面上，逐点去调制入射波相位，且每一同心圆环上的圆柱结构产生的相位调制深度相同，如此实现对入射太赫兹波形的调制功能。

超表面准直透镜的衬底层紧贴太赫兹光电导天线衬底层放置，将介质超表面准直透镜二维微结构层的中心与太赫兹光电导发射天线的辐射点对准，对准标准为：两点直线距离最短。

在一个实例中，针对基底为GaAs、厚度为650微米的光电导天线，衬底层厚度为1500微米，圆柱结构的高度h为150微米，半径r介于15微米至39微米之间，从中心到边缘有30圈。

本发明的特点及有益效果是：

所述介质超表面准直透镜用于太赫兹光电导天线系统中，可将太赫兹光电导发射天线辐射出的球面波准直成类平面波，经过介质超表面准直透镜的调制作用，太赫兹波能以类平面波的形式传播出来，太赫兹类平面波在空间中至少能传播2厘米的距离，数值模拟结果见图5。太赫兹光电导探测天线也可以使用所述介质超表面准直透镜，介质超表面准直透镜将太赫兹类平面波聚焦到太赫兹光电导天线上，以此实现对太赫兹波的探测收集。将本发明介质超表面准直透镜应用于太赫兹光电导天线系统中，它可代替硅透镜与抛物面镜、硅透镜与太赫兹透镜，实现对太赫兹波的直接准直，在高透过率的基础上，大大减轻了系统的复杂度和繁琐度，有利于太赫兹光电导天线系统的集成。而且，本发明介质超表面准直透镜的设计为提高太赫兹系统的效率提供了新思路，为太赫兹波的大规模推广应用奠定了基础。介质超表面准直透镜的制造方式为深反应离子刻蚀技术，能够实现透镜的批量快速成型，适合大规模推广应用。

附图说明：

图1为本发明介质超表面准直透镜的正视图及部分结构的放大图；

图2为本发明的超表面准直透镜的侧视图，其中1为二维微结构层，2为衬底层；

图3是本发明的超表面准直透镜的单元结构示意图；

图4是超表面准直透镜与天线组合使用的示意图，其中1为太赫兹波发射点源，2为太赫兹光电导发射天线衬底层，3为介质超表面准直透镜的衬底层，4为介质超表面准直透镜的二维微结构层；

图5为电磁场数值模拟软件CST Studio模拟介质超表面准直透镜的电场图，1为太赫兹光电导发射天线，2为超表面准直透镜，3为空气。

具体实施方式

现有的与太赫兹发射光电导天线配套使用的超半球硅透镜可以实现对太赫兹波的会聚，其具有无色散和低吸收的优点，但其对太赫兹波的准直效果不理想，通常需要搭配抛物面镜或者太赫兹透镜一起使用，才能够把太赫兹光路准直为类平行光束，硅透镜本身为一种体材料，再加之引入的抛物面镜和太赫兹透镜，使得整个系统的集成度很低，笨重繁琐，不利于太赫兹系统的灵活使用，从而限制太赫兹系统的应用。在太赫兹时域光谱系统中使用的超半球高阻硅透镜的直径约为1厘米，如此大尺寸的超半球硅透镜需要精密的机械加工和抛光过程，存在加工困难的弊端。

为了提高基于光电导天线的太赫兹时域光谱系统的灵活度，设计生产一种体积小、易于集成的器件来替换硅透镜与抛物面镜或者硅透镜与太赫兹透镜，具有一定的现实意义，将太赫兹系统轻便化和集成化是未来太赫兹系统发展的一种趋势。

本发明要解决的技术问题在于，设计生产一种体积小、易于集成的器件来替换硅透镜与抛物面镜或者硅透镜与太赫兹透镜，提高基于光电导天线的太赫兹时域光谱系统的灵活度。

为了实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

设计了一种透射式太赫兹波段介质超表面准直透镜。

所述介质超表面准直透镜的材料为高阻硅，这种材料在太赫兹波段的吸收小，透过率高，折射率与典型的太赫兹光电导天线衬底材料良好匹配，因此适合用作本发明的材料。

所述介质超表面准直透镜由衬底层和二维微结构层两部分组成。衬底层是一种均匀厚度、各向同性的高阻硅层，衬底层的作用是为二维微结构层提供机械支撑，二维微结构层是起到改变光束传播方向的关键层。

所述介质超表面准直透镜的二维微结构层选用的材料同样是高阻硅，由带有柱型结构的四方晶格按照近似同心圆环方式排列构成。具体排列方式为：整体二维微结构层上的圆柱以四方晶格排布，以二维微结构层的中心为圆心，以n*p-p/2和n*p+p/2为内外径作圆环，中心位于这一圆环内的圆柱的直径相同，直径的大小由n*p处的相位调制深度决定，我们称这种方式为近似同心圆环方式，其中p为排列周期，n为圈数。这种介质柱型结构带有相位调控功能，不同直径的圆柱结构对相位的调制深度不同，同一圈的圆柱直径相同，对相位的调制深度相同，通过近似同心圆环的方式排布不同直径的圆柱结构，达到类似透镜的作用。当太赫兹波照射到该二维微结构层时，二维微结构层的每一圆柱单元都会对入射的太赫兹波产生相位调制，在太赫兹波传播方向的垂直截面上，逐点去调制入射波相位，且每一同心圆环上的圆柱结构产生的相位调制深度相同，如此实现对入射太赫兹波形的调制功能。通过精心设计每一圈圆柱的直径，使得入射的太赫兹波以类球面波形式照射到二维微结构层后准直为类平面波，达到对太赫兹波的直接准直目的。该二维微结构层具有相位调制功能的本质原因是不同直径的圆柱结构，其材料占空比不同，即材料的等效折射率不同，因此其相位的调制深度不同。

所述介质超表面准直透镜的制造：在高阻硅上刻蚀加工而成。

所述介质超表面准直透镜适用于平面光电导发射天线及探测天线。将超表面准直透镜的衬底层紧贴太赫兹光电导发射天线衬底层放置，将介质超表面准直透镜的中心与太赫兹光电导发射天线的激光激发点对准，组合方式如图4所示，即可达到对太赫兹波点源的准直效果。

下面结合附图和具体实施对本发明作进一步的详细说明。

作为本发明的一种优选实例，工作频率设计在1THz，其结构如图1所示，图1为介质超表面准直透镜的正视图及部分放大结构图，图2为介质超表面准直透镜的侧视图：介质超表面准直透镜由二维微结构层1和衬底层2两部分构成。

介质超表面准直透镜的二维微结构层的单元结构如图3所示，衬底上是一种圆柱形的结构，其周期、柱高和直径均会影响对相位的调控。考虑到实际加工应用，周期和柱高为固定值，仅通过改变直径来调控相位。

针对一种常用的基底为GaAs、厚度为650微米的光电导天线。所设计的介质超表面准直透镜衬底层和二维微结构层的材料都是对太赫兹波有高透过率的高阻硅。衬底层厚度为1500微米，单元周期p为80微米，圆柱的高度h为150微米，半径r介于15微米至39微米之间，整体按照同心环近似的方式排列，位于同一圈的圆柱具有相同的直径，从中心到边缘有30圈。

超表面准直透镜和太赫兹光电导天线的具体组合方式如图4所示，其中1为偶极子电源，2为太赫兹光电导发射天线，3为介质超表面准直透镜的衬底层，4为介质超表面准直透镜的二维微结构层。介质超表面准直透镜的衬底层紧贴太赫兹光电导天线的衬底层，介质超表面准直透镜二维微结构层的中心与太赫兹光电导天线的辐射点对准，对准标准为两点之间直线距离最短。

电磁场数值模拟结果如图5所示，其中1为太赫兹光电导发射天线，2为超表面准直透镜，3为空气。从太赫兹光电导天线辐射出的近似球面波经过天线衬底和超表面准直透镜衬底的传播扩展后，由介质超表面准直透镜的二维微结构层会聚成相位面为平面的类平面波出射，图5为传播方向上频率为1THz的太赫兹波在空间中的电场分布图。

Claims (4)

1.一种与太赫兹光电导天线搭配使用的介质超表面准直透镜，其特征是，由衬底层和二维微结构层两部分组成，衬底层是均匀厚度、各向同性的高阻硅层，衬底层的作用是为二维微结构层提供机械支撑，二维微结构层选用的材料同样是高阻硅；二维微结构层由带有圆柱型结构的四方晶格按照近似同心圆环方式排列构成，不同直径的圆柱结构对相位的调制深度不同，同心圆环中同一圈的圆柱结构直径相同。

2.如权利要求1所述的与太赫兹光电导天线搭配使用的介质超表面准直透镜，其特征是，当太赫兹波照射到二维微结构层时，二维微结构层的每一圆柱结构都会对入射的太赫兹波产生相位调制，在太赫兹波传播方向的垂直截面上，逐点去调制入射波相位，且每一同心圆环上的圆柱结构产生的相位调制深度相同，如此实现对入射太赫兹波形的调制功能。

3.如权利要求1和权利要求2所述的与太赫兹光电导天线搭配使用的介质超表面准直透镜，其特征是，超表面准直透镜的衬底层紧贴太赫兹光电导天线衬底层放置，将介质超表面准直透镜二维微结构层的中心与太赫兹光电导发射天线的辐射点对准，对准标准为：两点直线距离最短。

4.如权利要求1、权利要求2和权利要求3所述的与太赫兹光电导天线搭配使用的介质超表面准直透镜，其特征是，在一个实例中，针对基底为GaAs、厚度为650微米的光电导天线，衬底层厚度为1500微米，圆柱结构的高度h为150微米，半径r介于15微米至39微米之间，从中心到边缘有30圈。