CN109031685A - 一种基于电压调控的可重构太赫兹波超衍射聚焦器件 - Google Patents

一种基于电压调控的可重构太赫兹波超衍射聚焦器件 Download PDF

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温中泉
陈刚
张智海
梁高峰
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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/42—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect
    • G02B27/4233—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having a diffractive element [DOE] contributing to a non-imaging application

Abstract

本发明公开了一种基于电压调控的可重构太赫兹波超衍射聚焦器件，涉及太赫兹波聚焦技术领域，解决了现有的太赫兹波技术，虽然实现了超分辨聚焦，但均是基于近场光学原理，焦距极小，难以满足生物医学成像、遥感、安检等应用领域对远场高分辨光学聚焦要求的问题，其技术方案要点是：包括硅层和多个与硅层表面抵接的石墨烯层；所述石墨烯层呈环形状，多个石墨烯层同心设置，相邻石墨烯层之间间距相等；相邻所述石墨烯层之间环设有与硅层抵接的绝缘层；所述绝缘层表面覆盖有导电层，导电层两侧分别与相邻石墨烯层抵触，具有突破太赫兹波衍射极限，达到远场高分辨光学聚焦的效果。

Description

一种基于电压调控的可重构太赫兹波超衍射聚焦器件
技术领域
本发明涉及太赫兹波聚焦技术领域，更具体地说，它涉及一种基于电压调控的可重构太赫兹波超衍射聚焦器件。
背景技术
太赫兹波是指频率为0.1～10THz的电磁波，该波段包含丰富的光谱信息，如蛋白质在内的大分子转动/振荡频谱、固体材料晶格振动能谱等。与微波和光波相比，太赫兹波具有能量低、穿透力强、安全性高、光谱信息丰富等特性，在无损检测、安检、医学成像和通信等领域具有重要的应用前景。
太赫兹技术的发展对太赫兹波段的聚焦光斑、成像分辨率提出了更高的需求。近年来，国际上在近场光学的太赫兹超分辨成像、聚焦已经取得一些进展。如2003年，美国伦斯勒理工学院采用扫描近场光学显微技术获得了150nm的太赫兹成像分辨率@2THz。2016年，日本东北大学设计了一种由多个狭缝和棒状阵列构成的超透镜，仿真得到聚焦焦斑为20μm。2016年，美国俄勒冈州立大学设计了一种基于二维亚波长硅柱阵列结构的双曲线超材料聚焦镜，在焦距2.5λ处获得超衍射的焦斑。
现有的太赫兹波技术，虽然实现了超分辨聚焦，但均是基于近场光学原理，焦距极小，难以满足生物医学成像、遥感、安检等应用领域对远场高分辨光学聚焦的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于电压调控的可重构太赫兹波超衍射聚焦器件，具有突破太赫兹波衍射极限，达到远场高分辨光学聚焦的效果。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种基于电压调控的可重构太赫兹波超衍射聚焦器件，包括硅层和多个与硅层表面抵接的石墨烯层；所述石墨烯层呈环形状，多个石墨烯层同心设置，相邻石墨烯层之间间距相等；相邻所述石墨烯层之间环设有与硅层抵接的绝缘层；所述绝缘层表面覆盖有导电层，导电层两侧分别与相邻石墨烯层抵触。
通过采用上述技术方案，利用多个环形状的石墨烯层，在不同半径的石墨烯层上施加不同偏压，改变不同半径的石墨烯层的透射率，使得聚焦器件出射面形成具有亚波长空间分辨率的透射光场分布，便于在远场获得超振荡焦斑，突破了太赫兹波衍射极限，达到远场高分辨光学聚焦。
本发明进一步设置为：所述硅层形成有P阱区，所述导电层设有穿过绝缘层后与P阱区连接的开关。
通过采用上述技术方案，利用绝缘层与开关，在石墨烯层施加偏压的过程中防止漏电的情况发生。
本发明进一步设置为：所述石墨烯层和硅层为亚波长尺度系列硅基石墨烯，工作波长范围为0.5THz-4THz。
通过采用上述技术方案，便于动态调节聚焦器件的聚焦焦距。
本发明进一步设置为：所述绝缘层为氧化硅层。
通过采用上述技术方案，进一步提高聚焦器件施加偏压的稳定性。
本发明进一步设置为：所述硅层环设有位于相邻石墨烯层之间的隔离槽，隔离槽与石墨烯层同心设置。
通过采用上述技术方案，便于减小相邻石墨烯层之间的串扰，增强了聚焦器件使用的可靠性。
本发明进一步设置为：所述隔离槽填充有高K介质。
通过采用上述技术方案，进一步减小相邻石墨烯层之间的串扰。
综上所述，本发明具有以下有益效果：利用多个环形状的石墨烯层，在不同半径的石墨烯层上施加不同偏压，改变不同半径的石墨烯层的透射率，使得聚焦器件出射面形成具有亚波长空间分辨率的透射光场分布，便于在远场获得超振荡焦斑，突破了太赫兹波衍射极限，达到远场高分辨光学聚焦；便于减小相邻石墨烯层之间的串扰，增强了聚焦器件使用的可靠性。
附图说明
图1是本发明实施例中的效果图；
图2是本发明实施例中的整体结构示意图；
图3是本发明实施例中整体剖开后的局部示意图。
图中：1、硅层；2、石墨烯层；3、导电层；4、绝缘层；5、P阱区；6、开关；7、隔离槽。
具体实施方式
以下结合附图1-3对本发明作进一步详细说明。
实施例：一种基于电压调控的可重构太赫兹波超衍射聚焦器件，如图2与图3所示，包括硅层1和多个与硅层1表面抵接的石墨烯层2，本实施例中采用六个石墨烯层2。石墨烯层2呈环形状，六个石墨烯层2同心设置，相邻石墨烯层2之间间距相等。相邻石墨烯层2之间环设有与硅层1抵接的绝缘层4，绝缘层4的厚度大于石墨烯层2的厚度。绝缘层4表面覆盖有导电层3，导电层3两侧分别与相邻石墨烯层2抵触。导电层3由导电金属制成。
如图1与图2所示，利用六个环形状的石墨烯层2，在不同半径的石墨烯层2上施加不同偏压，改变不同半径的石墨烯层2的透射率，使得聚焦器件出射面形成具有亚波长空间分辨率的透射光场分布，便于在远场获得超振荡焦斑，突破了太赫兹波衍射极限，达到远场高分辨光学聚焦。
如图3所示，硅层1形成有P阱区5，导电层3设有穿过绝缘层4后与P阱区5连接的开关6。利用绝缘层4与开关6，在石墨烯层2施加偏压的过程中防止漏电的情况发生。
如图3所示，本实施例中的石墨烯层2和硅层1采用亚波长尺度系列硅基石墨烯，工作波长范围为0.5THz-4THz。便于动态调节聚焦器件的聚焦焦距。
如图3所示，本实施例中的绝缘层4采用氧化硅层。便于提高聚焦器件施加偏压的稳定性。
如图3所示，硅层1环设有位于相邻石墨烯层2之间的隔离槽7，隔离槽7与石墨烯层2同心设置。便于减小相邻石墨烯层2之间的串扰，增强了聚焦器件使用的可靠性。
如图3所示，隔离槽7填充有高K介质。高K介质包括但不限于二氧化硅、氮化硅、氧化铝、五氧化二钽和二氧化钛。便于减小相邻石墨烯层2之间的串扰。
工作原理：利用多个环形状的石墨烯层2，在不同半径的石墨烯层2上施加不同偏压，改变不同半径的石墨烯层2的透射率，使得聚焦器件出射面形成具有亚波长空间分辨率的透射光场分布，便于在远场获得超振荡焦斑，突破了太赫兹波衍射极限，达到远场高分辨光学聚焦。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (6)

1.一种基于电压调控的可重构太赫兹波超衍射聚焦器件，其特征是：包括硅层(1)和多个与硅层(1)表面抵接的石墨烯层(2)；所述石墨烯层(2)呈环形状，多个石墨烯层(2)同心设置，相邻石墨烯层(2)之间间距相等；相邻所述石墨烯层(2)之间环设有与硅层(1)抵接的绝缘层(4)；所述绝缘层(4)表面覆盖有导电层(3)，导电层(3)两侧分别与相邻石墨烯层(2)抵触。
2.根据权利要求1所述的一种基于电压调控的可重构太赫兹波超衍射聚焦器件，其特征是：所述硅层(1)形成有P阱区(5)，所述导电层(3)设有穿过绝缘层(4)后与P阱区(5)连接的开关(6)。
3.根据权利要求1所述的一种基于电压调控的可重构太赫兹波超衍射聚焦器件，其特征是：所述石墨烯层(2)和硅层(1)为亚波长尺度系列硅基石墨烯，工作波长范围为0.5THz-4THz。
4.根据权利要求1所述的一种基于电压调控的可重构太赫兹波超衍射聚焦器件，其特征是：所述绝缘层(4)为氧化硅层。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种基于电压调控的可重构太赫兹波超衍射聚焦器件，其特征是：所述硅层(1)环设有位于相邻石墨烯层(2)之间的隔离槽(7)，隔离槽(7)与石墨烯层(2)同心设置。
6.根据权利要求5所述的一种基于电压调控的可重构太赫兹波超衍射聚焦器件，其特征是：所述隔离槽(7)填充有高K介质。
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