CN108470984B - 基于相位非连续超表面产生艾里波束的透镜及方法 - Google Patents

基于相位非连续超表面产生艾里波束的透镜及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108470984B
CN108470984B CN201810205242.2A CN201810205242A CN108470984B CN 108470984 B CN108470984 B CN 108470984B CN 201810205242 A CN201810205242 A CN 201810205242A CN 108470984 B CN108470984 B CN 108470984B
Authority
CN
China
Prior art keywords
metal
metal rings
structural units
lens
generating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201810205242.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108470984A (zh
Inventor
张狂
杨海棠
吴群
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Harbin Institute of Technology
Original Assignee
Harbin Institute of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Harbin Institute of Technology filed Critical Harbin Institute of Technology
Priority to CN201810205242.2A priority Critical patent/CN108470984B/zh
Publication of CN108470984A publication Critical patent/CN108470984A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108470984B publication Critical patent/CN108470984B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/02—Refracting or diffracting devices, e.g. lens, prism

Landscapes

  • Aerials With Secondary Devices (AREA)

Abstract

基于相位非连续超表面产生艾里波束的透镜及方法，涉及产生艾里波束的技术，为了解决现有艾里波束的激发器件体积大、难以集成，而且无法适用于X波段的问题。该透镜包括沿直线紧贴排布的多个结构单元；每个结构单元包括介质板和位于介质板上、下表面的金属环，2个金属环的尺寸相同，且2个金属环的中心均与介质板的中心重合，金属环设有1个缺口，2个金属环的缺口关于中心对称；多个结构单元分为多组，同1组结构单元的上表面金属环的缺口方向相同，间隔1组结构单元的2组结构单元的金属环的缺口方向相同，相邻组结构单元的金属环的缺口方向相差90°。本发明适用于产生艾里波束。

Description

基于相位非连续超表面产生艾里波束的透镜及方法
技术领域
本发明涉及产生艾里波束的技术。
背景技术
1979年Berry与Balazs在量子力学领域有重大发现：描述自由粒子的薛定谔方程具有无衍射艾里波束解。艾里波束最显著的特点是其在没有任何外力作用下具有自加速特性。同其它无衍射波束一样，艾里波束是一种在传播过程中强度空间分布保持不变的波束。近年来，艾里光束在等离子通道、微粒操控、光子弹、大气通信以及其他领域发挥着重要的作用。一般而言，艾里波束由空间光调制器SLM、专门设计的透镜系统、非线性方法、电子、等离子体、液晶、表面光栅、亚波长狭缝阵列或表面等离子体激元产生。然而，SLM或液晶的微尺寸像素限制了艾里波束的设计，因为需要庞大的光学系统。艾里波束的非线性生成和操作也需要经历相当长的晶体长度以产生足够的非线性效应。总之，现有艾里波束的激发器件体积大、难以集成，而且无法适用于X波段。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有艾里波束的激发器件体积大、难以集成，而且无法适用于X波段的问题，从而提供基于相位非连续超表面产生艾里波束的透镜及方法。
本发明所述的基于相位非连续超表面产生艾里波束的透镜，包括沿直线紧贴排布的多个结构单元；
每个结构单元包括介质板1和位于介质板1上、下表面的金属环2，2个金属环2的尺寸相同，且2个金属环2的中心均与介质板1的中心重合，金属环2设有1个缺口，2个金属环2的缺口关于中心对称；
多个结构单元分为多组，同1组结构单元的上表面金属环2的缺口方向相同，间隔1组结构单元的2组结构单元的金属环2的缺口方向相同，相邻组结构单元的金属环2的缺口方向相差90°。
优选的是，结构单元的厚度为2mm。
优选的是，每个结构单元还包括两个圆形金属贴片，2个金属环2的外层均同心设有圆形金属贴片，同1组结构单元的圆形金属贴片半径相同，通过改变不同组的圆形金属贴片的半径调制艾里波束的幅值。
优选的是，金属环2与金属贴片间具有空隙。
优选的是，金属环2与金属贴片间的空隙宽度为2mm。
优选的是，介质板1为正方形，边长为a，a的范围为5mm－7.5mm。
优选的是，金属环2的外径r1为2.6mm，内径r2为2.4mm。
优选的是，缺口的长度l最小为0.017a，缺口最大时金属环2为半圆。
本发明所述的基于相位非连续超表面产生艾里波束的方法，圆极化波垂直入射到所述透镜，透射波即为艾里波束。
超表面被定义为人为设计的二维结构，超表面可以由亚波长散射体的阵列组成，用于任意调谐电磁波的特性。超表面的散射体具有各种形式，例如内嵌在金属膜上的纳米颗粒、孔和狭缝。超表面可以任意改变波前，同时只有几分之一波长的厚度。所以，大型的光学元件已经开始被超表面代替。此外，超表面中的结构单元的尺寸远小于波长，这是超表面与SLM或液晶的常规光学器件之间的重要区别。目前的研究基本集中在光波段实现艾里波束。而本发明基于相位非连续人工电磁表面，利用分界面上的相位突变机制替代电磁波在传播路径上的相位累积，在微波段将入射电磁波转化为相位可调的透射分量。通过引入相位不连续来控制透射波的相位分布，在微波段产生艾里波束。与现有的生成和控制艾里波束的方法相比，本发明具有许多重要的优点：结构单元尺寸小，厚度薄，便于集成，无效衍射少，结构单元可工作在X波段，填补了X波段艾里波束的空白。
附图说明
图1是结构单元的正面结构示意图；
图2是图1的结构单元的背面结构示意图；
图3是图1的金属环旋转θ角后的结构示意图；
图4是艾里波束的相位分布图；
图5是与图4对应的结构单元的示意图；
图6是右旋圆极化波垂直入射时仅进行相位调制得到的艾里波束的场分布图；
图7是艾里函数的归一化幅度分布图；
图8是圆形金属贴片的结构示意图；
图9是右旋圆极化波垂直入射时进行相位、幅度调制得到的艾里波束的场分布图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本实施方式中，基于相位非连续超表面产生艾里波束的透镜，包括沿直线紧贴排布的多个结构单元；
每个结构单元包括介质板1和位于介质板1上、下表面的金属环2，2个金属环2的尺寸相同，且2个金属环2的中心均与介质板1的中心重合，金属环2设有1个缺口，2个金属环2的缺口关于中心对称；
多个结构单元分为多组，同1组结构单元的上表面金属环2的缺口方向相同，间隔1组结构单元的2组结构单元的金属环2的缺口方向相同，相邻组结构单元的金属环2的缺口方向相差90°。l＝0.6mm,r1＝2.6mm,r2＝2.4mm,a＝6mm，结构单元的厚度为2mm。
通过旋转结构单元，可以对入射的圆极化波的相反旋向透射分量引入一个任意相位突变量。对于垂直入射的某旋向(左旋或右旋)的圆极化波，结构单元绕光轴(光轴与图1中的Z轴方向平行)旋转θ后，其透射场
Figure BDA0001595636250000031
可以表示为：
Figure BDA0001595636250000032
其中
Figure BDA0001595636250000033
分别为入射波、右旋波、左旋波的传输系数，
Figure BDA0001595636250000034
为入射场，φ为线极化波的相位，tx、ty分别为结构单元对于沿X轴和Y轴极化的垂直入射电磁波的透射系数，<α│β>表示内积。分析上式可以看出，透射场中存在两个分量，第一项保持原入射波的旋向，第二项分量的旋向与入射波的旋向相反(入射波为左旋，则此项分量为右旋，反之亦然)。其中第二项分量中引入了一个与结构单元旋转的角度θ有关的相位改变量±2θ，它的符号与入射波旋向和单元的旋转方向有关。
基于以上原理，本实施方式首先提出了基于相位非连续超表面产生艾里波束的透镜，工作在8-12GHz的X波段，如图1所示，图3中的θ为一定位置处的结构单元的金属环2的旋转角度。对于左旋极化的垂直入射的电磁波，透射场中含有两个分量，旋向分别为左旋和右旋，它们的幅值相等，右旋分量会引入一个为2θ的相位差。
接着为了确定结构单元的几何参数，本实施方式根据归一化艾里函数求出艾里波束的幅度和相位分布。一维艾里波束Ψ(x,δ)表示如下：
Ψ(x,δ)＝Ai(bx)exp(ax+ikbxsinγ)
k表示波数，a是正数，b是横向尺度，δ是弯曲方向。艾里波束相位
Figure BDA0001595636250000041
的分布：当Ai(bx)≥0时，
Figure BDA0001595636250000042
当艾里函数Ai(bx)<0时，
Figure BDA0001595636250000043
当γ等于0时，所产生的艾里光束的弯曲方向δ垂直于超表面。然后，可以得到(0，π)的相位包络，相位分布图分为圆圈所示的5部分，如图4所示。本实施方式首先通过改变结构单元的金属环的旋转角度来调制相位。两种类型的结构单元(θ＝0°或者90°)可以分别实现0和π相位交替出现的相位分布，分别对应Ai(bx)≥0和Ai(bx)<0，这对应于艾里函数的振荡特征。根据艾里函数的相位分布可以使用31个结构单元来拟合其分布，如图5所示，图5与图4的圆圈中相同数字的部分相对应。对于垂直入射的右旋圆极化波，透镜对电磁波进行相位调控，测试所得的场分布图如图6所示。
最后本实施方式设计了幅度调制装置来对超表面相位调制生成的艾里波束进行优化。幅度调制装置采用两个圆形金属贴片实现。2个金属环2的外层均同心设有圆形金属贴片，同1组结构单元的圆形金属贴片半径相同，通过改变不同组的圆形金属贴片的半径调制艾里波束的幅值。
由上述艾里函数的表达式，其幅度分布如图7所示，5个峰值的绝对值的比例为1:0.8:.0.7:0.7:0.6。依据图7中所示的5个峰值来对本实施方式的相位非连续超表面的5个部分进行幅度调制，最终的幅度调制装置如图8所示，由左至右圆形金属贴片的半径依次为1.2mm、2.6mm、2.7mm、2.8mm、2.9mm，幅度越高所对应的圆形金属贴片的半径越小。对于垂直入射的右旋圆极化波，透镜对电磁波进行相位及幅度调控，测得的场分布图如附图9所示。本实施方式的幅度调制的实现方法简单，相位和幅度共同调制产生的艾里波束的能量更集中，无效衍射更少。

Claims (7)

1.基于相位非连续超表面产生艾里波束的透镜，其特征在于，包括沿直线紧贴排布的多个结构单元；
每个结构单元包括介质板(1)和位于介质板(1)上、下表面的金属环(2)，2个金属环(2)的尺寸相同，且2个金属环(2)的中心均与介质板(1)的中心重合，金属环(2)设有1个缺口，2个金属环(2)的缺口关于中心对称；
多个结构单元分为多组，同1组结构单元的上表面金属环(2)的缺口方向相同，间隔1组结构单元的2组结构单元的金属环(2)的缺口方向相同，相邻组结构单元的金属环(2)的缺口方向相差90°；
每个结构单元还包括两个圆形金属贴片，2个金属环(2)的外层均同心设有圆形金属贴片，同1组结构单元的圆形金属贴片半径相同，通过改变不同组的圆形金属贴片的半径调制艾里波束的幅值，幅度越高所对应的圆形金属贴片的半径越小。
2.根据权利要求1所述的基于相位非连续超表面产生艾里波束的透镜，其特征在于，结构单元的厚度为2mm。
3.根据权利要求1所述的基于相位非连续超表面产生艾里波束的透镜，其特征在于，金属环(2)与金属贴片间具有空隙。
4.根据权利要求3所述的基于相位非连续超表面产生艾里波束的透镜，其特征在于，金属环(2)与金属贴片间的空隙宽度为2mm。
5.根据权利要求1所述的基于相位非连续超表面产生艾里波束的透镜，其特征在于，介质板(1)为正方形，边长为a，a的范围为5mm－7.5mm。
6.根据权利要求1所述的基于相位非连续超表面产生艾里波束的透镜，其特征在于，金属环(2)的外径r1为2.6mm，内径r2为2.4mm。
7.根据权利要求5所述的基于相位非连续超表面产生艾里波束的透镜，其特征在于，缺口的长度l最小为0.017a，缺口最大时金属环(2)为半圆。
CN201810205242.2A 2018-03-13 2018-03-13 基于相位非连续超表面产生艾里波束的透镜及方法 Active CN108470984B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810205242.2A CN108470984B (zh) 2018-03-13 2018-03-13 基于相位非连续超表面产生艾里波束的透镜及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810205242.2A CN108470984B (zh) 2018-03-13 2018-03-13 基于相位非连续超表面产生艾里波束的透镜及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108470984A CN108470984A (zh) 2018-08-31
CN108470984B true CN108470984B (zh) 2020-12-11

Family

ID=63265354

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810205242.2A Active CN108470984B (zh) 2018-03-13 2018-03-13 基于相位非连续超表面产生艾里波束的透镜及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108470984B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109884188B (zh) * 2019-03-06 2021-04-27 北京卫星环境工程研究所 基于惠更斯声学超材料的宽带声束调控系统
CN110729565B (zh) * 2019-10-29 2021-03-30 Oppo广东移动通信有限公司 阵列透镜、透镜天线和电子设备

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3965475A (en) * 1975-05-30 1976-06-22 The United States Of America As Represented By The United States Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Switchable beamwidth monopulse method and system
CN103531898A (zh) * 2013-10-15 2014-01-22 西安电子科技大学 基于超材料的射频识别分形天线
CN106094217A (zh) * 2016-06-01 2016-11-09 首都师范大学 自聚焦光束发生器及其设计方法
WO2017044637A1 (en) * 2015-09-08 2017-03-16 University Of Washington Low contrast silicon nitride-based metasurfaces
CN106816716A (zh) * 2016-12-12 2017-06-09 上海交通大学 结构简洁的双模涡旋波束双圆极化四元阵列天线
CN107340600A (zh) * 2017-04-28 2017-11-10 中国计量大学 一种基于金属平板的艾里光束发生器
CN107394411A (zh) * 2017-07-20 2017-11-24 中国人民解放军空军工程大学 C/x波段双频透镜天线设计

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3417640B2 (ja) * 1994-03-10 2003-06-16 株式会社東芝 位相差測定装置及びその方法
CN103647151B (zh) * 2013-12-25 2015-07-22 哈尔滨工业大学 基于广义折射定律的宽带电磁波异常折射透镜
US9583840B1 (en) * 2015-07-02 2017-02-28 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force Microwave zoom antenna using metal plate lenses
CN106374232B (zh) * 2016-10-26 2019-04-12 中国人民解放军空军工程大学 超宽带微波涡旋超表面及其宽带设计方法
CN107453050A (zh) * 2017-06-20 2017-12-08 南京航空航天大学 基于相位梯度超表面的宽带透镜

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3965475A (en) * 1975-05-30 1976-06-22 The United States Of America As Represented By The United States Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Switchable beamwidth monopulse method and system
CN103531898A (zh) * 2013-10-15 2014-01-22 西安电子科技大学 基于超材料的射频识别分形天线
WO2017044637A1 (en) * 2015-09-08 2017-03-16 University Of Washington Low contrast silicon nitride-based metasurfaces
CN106094217A (zh) * 2016-06-01 2016-11-09 首都师范大学 自聚焦光束发生器及其设计方法
CN106816716A (zh) * 2016-12-12 2017-06-09 上海交通大学 结构简洁的双模涡旋波束双圆极化四元阵列天线
CN107340600A (zh) * 2017-04-28 2017-11-10 中国计量大学 一种基于金属平板的艾里光束发生器
CN107394411A (zh) * 2017-07-20 2017-11-24 中国人民解放军空军工程大学 C/x波段双频透镜天线设计

Also Published As

Publication number Publication date
CN108470984A (zh) 2018-08-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Song et al. Compact generation of airy beams with C‐aperture metasurface
Zhou et al. Broadband achromatic metalens in the midinfrared range
Yoon et al. Wavelength-decoupled geometric metasurfaces by arbitrary dispersion control
US10114239B2 (en) Waveplate lenses and methods for their fabrication
CN108470984B (zh) 基于相位非连续超表面产生艾里波束的透镜及方法
US9696605B2 (en) Optical phased array using stacked parallel plate wave guides and method of fabricating arrays of stacked parallel plate waveguides
CN106597578B (zh) 新月风车型超结构表面
EP2431120A1 (en) Method of forming periodic structures in thin films using interfering laser beams
WO2009155098A2 (en) Flat transformational electromagnetic lenses
CN112130231B (zh) 产生偏振阶数可调的柱矢量光束的超表面系统及构造方法
CN109828380B (zh) 一种矢量贝塞尔光束生成装置
CN103645565A (zh) 一种亚波长等离激元偏振转换器
CN112147721A (zh) 偏振阶数可调且可连续变焦的柱矢量光束透镜及构造方法
CN108107498B (zh) 一种基于旋转晶向的非线性位相梯度超表面
CN113064284A (zh) 一种基于高阶交叉相位的多边形完美涡旋光制备与操控方法
CN203616532U (zh) 一种亚波长等离激元偏振转换器
CN111430894A (zh) 共形液晶光学相控阵天线及其波控方法和装置
CN112255711A (zh) 一种用于产生柱矢量光束的连续变焦透镜及其设计方法
US20040165269A1 (en) Space-variant subwavelength dielectric grating and applications thereof
Zhang et al. A vortex-focused beam metalens array in the visible light range based on computer-generated holography
US10761391B2 (en) Optical attenuator
CN111999901A (zh) 一种产生多波段消色差贝塞尔光束的超表面轴锥器件
CN103885190A (zh) 一种亚微米光子晶体位相阵列光分束器的制作方法
CN106324743B (zh) 一种基于金属光栅的偏振分束器
CN114690435A (zh) 一种基于自旋解耦超表面波带片的矢量波束产生方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant