CN108646330B - 一种全透波带片 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种全透波带片。该全透波带片包括同心环结构；同心环结构包括交替排列的第一环体和第二环体，同心环结构的第k环的半径r_k满足公式：

其中，f为全透波带片的焦距，λ为入射波波长，k为正整数；第一环体和第二环体的高度相同且满足

其中，n₁为第一环体的折射率，n₂为第二环体的折射率，a为正奇数。该全透波带片可以对平行入射波进行聚焦，提高聚焦的光斑的光强以及聚焦效率。

Description

一种全透波带片

技术领域

本申请涉及光学元件技术领域，尤其涉及一种全透波带片。

背景技术

在太赫兹、毫米波等波段中，常常涉及到聚焦的问题。传统的聚焦方式是采用透镜及抛物面镜进行聚焦，但透镜及抛物面镜在聚焦过程中容易产生较大的球差，而且由于透镜及抛物面镜的尺寸较大，在一些结构紧凑、精密的仪器或者光路中无法使用透镜及抛物面镜进行聚焦。为了减少球差，降低聚焦元件的体积，也可以采用菲涅尔波带片进行聚焦。菲涅尔波带片利用衍射相干叠加原理对入射的太赫兹波、毫米波等进行聚焦。然而，由于菲涅尔波带片只允许一半的入射波进行衍射相干叠加，而另一半的入射波被屏蔽掉，导致光源利用率不高，聚焦的光斑光强较低。

发明内容

本申请实施例提供了一种全透波带片，以提高光源利用率和聚焦的光斑光强。

本申请实施例提供了一种全透波带片，其包括同心环结构；所述同心环结构包括交替排列的第一环体和第二环体，所述同心环结构的第k环的半径r_k满足公式：

其中，f为所述全透波带片的焦距，λ为入射波波长，k为正整数；所述第一环体和第二环体的高度相同且满足

其中，n₁为所述第一环体的折射率，n₂为所述第二环体的折射率，a为正奇数。

在本申请实施例提供的全透波带片中，还包括基底；所述同心环结构设置在所述基底上。

在本申请实施例提供的全透波带片中，所述第一环体包括石英环体、硅环体、聚四氟乙烯环体或聚乙烯环体，所述第二环体包括空气环体。

在本申请实施例提供的全透波带片中，所述第一环体与所述基底的材质相同。

在本申请实施例提供的全透波带片中，所述第一环体与所述基底为一体结构。

在本申请实施例提供的全透波带片中，所述基底的厚度h₂满足公式：

其中，n₃为所述基底的折射率，b为整数。

在本申请实施例提供的全透波带片中，所述入射波为太赫兹波或毫米波。

在本申请实施例提供的全透波带片中，所述第二环体包括第一子环体和第二子环体，所述第二子环体设置在所述第一子环体上，所述第一子环体的高度h₁₁与所述第二子环体的高度h₁₂满足公式：

h₁₁+h₁₂＝h₁

n₄h₁₁+n₅h₁₂＝n₂h₁

其中，n₄为所述第一子环体的折射率，n₅为所述第二子环体的折射率。

本申请实施例提供的全透波带片，可以对平行入射波进行聚焦，提高聚焦的光斑的光强和聚焦效率较高，同时降低半高宽。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种全透波带片的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种全透波带片的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种全透波带片的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的一种全透波带片的结构示意图；

图5为本申请实施例中的实验装置结构示意图；

图6为本申请实施例中的实验效果图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在图1至图5中，相同或相似的结构是以相同的标号表示。

请参阅图1，图1是本申请实施例提供的一种全透波带片的结构示意图。该全透波带片100可以用于对太赫兹波或毫米波进行聚焦。该全透波带片100包括同心环结构10。该同心环结构10包括交替排列的第一环体11和第二环体12。该同心环结构10的第k环的半径r_k需满足如下公式(1)：

其中，f为全透波带片100的焦距，λ为入射波波长，k为正整数。

从图1可以看出，在同心环结构10中，奇数环为第一环体11，偶数环为第二环体12。第一环体11和第二环体12是一比一交替排列的，也即：相邻两个第一环体11之间设有一个第二环体12，相邻两个第二环体12之间设有一个第一环体11。

需要说明的是，图1示出了三个第一环体11和两个第二环体12，即同心环结构10的环数k的最大值取5，同心环结构10的环数可以根据实际需求进行设置，图1所示的同心环结构10的环数仅仅是起到示意说明的作用。

该第一环体11和第二环体12的高度相同，均为h₁，且h₁满足如下公式(2)：

其中，n₁为第一环体11的折射率，n₂为第二环体12的折射率，a为正奇数。

在本实施例中，当入射波为平行的太赫兹波或毫米波时，入射波通过同心环结构10后会在焦距f处聚焦成较强的光斑，而且该光斑相对于采用菲涅尔波带片聚焦所获得的光斑来说，光斑的光强更强，半高宽更小。另外，该全透波带片100的厚度较小，一般在毫米级别，可以应用在结构紧凑、精密的仪器或者光路中。

在一实施例中，如图2所示，图2为本申请实施例提供的全透波带片的另一结构示意图。该全透波带片100还包括基底20。该同心环结构10设置在基底20上。该基底20的厚度h₂满足如下公式(3)：

其中，n₃为基底20的折射率，b为整数。

在一实施例中，该基底20可以与第一环体11的材质相同，譬如，均为石英。该基底20与第一环体11可以为一体结构。譬如，通过激光加工技术、机械加工技术或湿法刻蚀技术等对基底20的表面进行加工以形成第一环体11。

在图2所示的全透波带片100中，该第一环体11可以为石英环体、硅环体、聚四氟乙烯环体或聚乙烯环体，该第二环体12可以为空气环体。其中，当第一环体11为硅环体时，第一环体11具体为高纯度的硅环体，譬如，纯度为99.9％以上的硅环体。可以理解的是，第一环体11和第二环体12还可以为其他材质制成的环体，只要满足公式(1)、对入射波具有较高的透射率等条件即可，在此不做具体限制。

另外，在图2所示的全透波带片100中，同心环结构10的环数为六环，即第一环体11和第二环体12各三个环，且同心环结构10的第一环为第一环体11，即第一环为石英环体、硅环体、聚四氟乙烯环体或聚乙烯环体。当然，在其他实施例中，全透波带片100也可以采用图2的互补结构，具体如图3所示，在图3所示的全透波带片100中，同心环结构10的第一环为第二环体12，即第一环为空气环体。

在一实施例中，如图4所示，图4为本申请实施例提供的全透波带片的另一结构示意图。需要说明的是，图4所示的全透波带片为沿入射波入射方向的截面示意图，譬如，为沿图1所示的全透波带片中箭头A-A方向切割形成的截面示意图。

在图4所示的全透波带片100中，该第二环体12包括第一子环体121和第二子环体122。该第二子环体122设置在第一子环体121上。该第一子环体121的高度h₁₁与第二子环体122的高度h₁₂满足如下公式(4)和公式(5)：

h₁₁+h₁₂＝h₁ (4)

n₄h₁₁+n₅h₁₂＝n₂h₁ (5)

其中，n₄为第一子环体121的折射率，n₅为第二子环体122的折射率。

在本申请实施例中，该全透波带片可以对平行入射波进行聚焦，且聚焦的光斑的光强较强、半高宽较小，聚焦效率较高。同时，该全透波带片还具有厚度小，占用空间小的优点，使其可以应用在结构紧凑、精密的仪器或者光路中。

为了可以验证本申请实施例中的全透波带片100的聚焦效果，以下将以本申请的全透波带片和菲涅尔波带片分别进行实验，并对两类波带片的实验结果进行比较分析。

该实验采用焦距不同的三种全透波带片100，焦距f分别选择40mm、50mm和60mm。三种全透波带片100的第一环体11和基底20均为一体结构，且均为石英材质，即第一环体11为石英环体，基底20为石英基底。第二环体12均为空气环体。入射波波长选为0.14THz。公式(1)中的k取值为1、2、3、4、5、6，公式(2)中的a和公式(3)中的b均取值为1。根据上述实验参数设置，通过公式(1)、公式(2)和公式(3)就可以得出三种全透波带片100的各个参数。

如图5所示，图5为本申请中的实验装置结构示意图。该实验装置200包括太赫兹光源201、准直透镜202、全透波带片100(或菲涅尔波带片)和太赫兹相机203。在实验过程中，依次将三种焦距的全透波带片100和菲涅尔波带片放在图5所示的相应位置，从而获取每种波带片对应的实验数据。

具体地，太赫兹光源201发出的太赫兹波经过准直透镜202，形成平行的太赫兹波，入射到全透波带片100或菲涅尔波带片上，然后经过衍射相干叠加后成像在太赫兹相机203上，实验结果如图6所示。其中，图6中的(a)为焦距f为40mm的全透波带片100的实验结果图，图6中的(b)为焦距f为50mm的全透波带片100的实验结果图，图6中的(c)为焦距f为60mm的全透波带片100的实验结果图，图6中的(d)为焦距f为40mm的菲涅尔波带片的实验结果图，图6中的(e)为焦距f为50mm的菲涅尔波带片的实验结果图，图6中的(f)为焦距f为60mm的菲涅尔波带片的实验结果图。

由图6可见，全透波带片100和菲涅尔波带片在各自的焦平面处都聚焦形成了光斑，其中f＝40mm、50mm、60mm的全透波带片100的半高宽分别为2.3mm、2.3mm和2.62mm，相比对应的菲涅尔波带片的半高宽分别减少了28％、42％和26％，并且焦平面处最大光场强度大小分别是各自对应的菲涅尔波带片最大光场强度值的2.0、2.8和1.9倍。由此可以得知，全透波带片100可以对平行入射波进行聚焦，且聚焦所形成的光斑光强更强、半高宽更小。

另外，本实验利用太赫兹相机203先记录各个波带片在各自焦平面上的能量，再将全透波带片100换成抛物面镜进行聚焦以记录总能量，因为利用抛物面镜进行聚焦时，能量损耗可以忽略不计，因而可近似将其看做入射的总能量。然后用各个波带片在焦平面上的能量分别除以抛物面镜聚焦的总能量，以得到三种焦距的全透波带片100的聚焦效率分别为29％、38％、38％(分别对应焦距f为40mm、50mm和60mm)，三种焦距的菲涅尔波带片对应的聚焦效率分别为15.3％、18.1％和22.4％(分别对应焦距f为40mm、50mm和60mm)。三种焦距的全透波带片100的聚焦效率分别是各自对应的菲涅尔波带片聚焦效率的1.9、2.1和1.7倍。这说明本申请中的全透波带片100具有更高的聚焦效率。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种全透波带片，其特征在于，包括同心环结构和基底；所述同心环结构包括交替排列的第一环体和第二环体，所述同心环结构的第k环的半径r_k满足公式：

其中，f为所述全透波带片的焦距，λ为入射波波长，k为正整数；所述第一环体和第二环体的高度相同且满足

其中n₁为所述第一环体的折射率，n₂为所述第二环体的折射率，a为正奇数；

其中，所述入射波为平行的太赫兹波，所述同心环结构设置在所述基底上，所述基底的厚度h₂满足公式：

其中，n3为所述基底的折射率，b为整数，所述第一环体、所述基底均为石英材质，所述第二环体为空气环体。

2.根据权利要求1所述的全透波带片，其特征在于，所述第一环体与所述基底为一体结构。

3.根据权利要求1所述的全透波带片，其特征在于，所述第二环体包括第一子环体和第二子环体，所述第二子环体设置在所述第一子环体上，所述第一子环体的高度h11与所述第二子环体的高度h₁₂满足公式：

h₁₁+h₁₂＝h₁

n₄h₁₁+n₅h₁₂＝n₂h₁

其中，n₄为所述第一子环体的折射率，n₅为所述第二子环体的折射率。

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