CN109884807A - 太赫兹波相位的动态调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及信息处理技术领域，公开了一种太赫兹波相位的动态调制方法，包括：利用空间光调制器生成预先设计的调制图案；泵浦光经过调制图案照射在半导体上，在半导体上产生载流子分布；载流子分布产生电导率分布，使半导体具有金属特性；初始太赫兹波照射半导体，被半导体调制相位，得到目标太赫兹波；其中，调制图案包含若干个离散排布的结构单元。本实施方式通过动态生成不同调制图案，实现太赫兹波的纯相位动态调制超表面，调制图案采用几何相位调制方法，此调制方式简单，调制效果稳定，在保证振幅调制相同的同时，实现相位的连续、快速、精确的调制。

Description

太赫兹波相位的动态调制方法

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种太赫兹波相位的动态调制方法。

背景技术

太赫兹技术被誉为改变未来世界的技术之一，被广泛运用于安检，无损探伤，无线通讯等诸多领域，近十几年来，太赫兹源和探测器做为两个终端器件发展十分迅速，相比之下，对太赫兹进行主动调制的中间器件却发展缓慢，而这些器件对于拓展太赫兹的应用却十分重要，诸如信息的加密，传递和存储，太赫兹波束的整形，聚焦和成像等等。在可见光波段，空间光调制器可以对光束的空间强度和相位分布进行可编程修改，广泛应用于光学信息处理、成像和通信等领域。在太赫兹频率范围内，由于缺乏适当的光电材料，发展类似空间光调制器的器件仍然是一个巨大的挑战，随着太赫兹技术的不断进步和各种潜在应用的识别，迫切地需要此类功能器件。

超表面结构，是一种由亚波长金属单元组成的二维阵列结构，具有超薄超微的性能，对电磁波(包含太赫兹波)的振幅和相位有很好的调制特性。目前，关于动态可重构超表面的设计方面，已经提出的一些有关空间太赫兹调制器，大多数停留在同一控制，即超表面中每个单元的状态都彼此相同，适用于单点探测，不能随意控制二维阵列中的每一个单元，功能比较单一，应用也相对狭窄。虽有研究实现了二维阵列的任意振幅调制，基本实现真正动态调制的要求，但是振幅调制存在一个缺点，就是能量损耗大，效率低下。

另有现有技术，使用相变材料(GeSbTe,二氧化钒等)实现对太赫兹的动态调制。此类技术利用相变材料电磁特性随温度的变化。一般先将相变材料刻蚀一定的图案，由于相变材料在室温下呈现介质状态，对太赫兹波有很高的透过率，对于结构在亚波长级别，介质对太赫兹的调制微乎其微，当温度上升到一定值时，材料的属性会发生突变,由介质转换成金属，对太赫兹波能产生较强的调制作用。但此技术只能实现相变前和相变后两种状态的切换，如透镜的聚焦和非聚焦，并不能实现任意的波前调制。其次，由于温度的改变和响应都较慢，所以这种调制手段的速度也相对较慢，并且需要进行刻蚀，在制作上更加复杂。

发明内容

本发明实施方式的目的在于提供一种太赫兹波相位的动态调制方法，利用调制图案动态调节泵浦光，在半导体上产生载流子分布，进而产生电导率使半导体具有金属特性从而实现对太赫兹波的相位的动态调制。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种太赫兹波相位的动态调制方法，包括：利用空间光调制器生成预先设计的调制图案；泵浦光经过调制图案照射在半导体上，在半导体上产生载流子分布；载流子分布产生电导率分布，使半导体具有金属特性；初始太赫兹波照射半导体，被半导体调制相位，得到目标太赫兹波；其中，调制图案包含若干个离散排布的结构单元。

本发明实施方式相对于现有技术而言，主要区别及其效果在于：利用调制图案调节泵浦光，在半导体上产生与调制图案对应的载流子分布，载流子产生电导率使半导体具有金属特性从而实现对太赫兹波的相位的调制，进而实现对太赫兹波的偏振态的调制。本实施方式通过动态生成不同调制图案，实现太赫兹波的纯相位动态调制超表面，调制图案采用几何相位调制方法，此调制方式简单，调制效果稳定，在保证振幅调制相同的同时，实现相位的连续、快速、精确的调制。

另外，结构单元为棒状结构。棒状结构单元形状简单，辨识度高，投影的图像更加清晰，轮廓分明，且规格参数也便于快速设计。

另外，结构单元具有非四阶旋转对称性。可以将入射光的偏振态部分或者全部转化成正交偏振态。

另外，电导率根据如下公式计算：其中，为电导率，n为半导体的折射率，d为半导体的厚度，T为存在载流子和不存在载流子时太赫兹波的透过率之比。在半导体厚度极薄的情况下，电导率近似满足该公式，采用该公式可计算得到半导体在具有金属特性时的电导率值。

另外，调制图案根据如下步骤设计：确定目标太赫兹波的全息图像的相位分布；根据全息图像的相位分布设计调制图案。

另外，确定目标太赫兹波的全息图像的相位分布，具体为利用模拟退火算法，根据目标太赫兹波计算全息图像的相位分布。算法中设定相位分布为2π内的16阶离散，对应16种旋转的棒状结构，利用模拟退火算法求解可快速得到最优解。

另外，根据全息图像的相位分布设计调制图案，包括：利用时域有限差分法计算结构单元的规格参数，包括结构单元的形状和尺寸。利用时域有限差分法可计算得到最优化的结构单元，进而实现最高的转换效率。

另外，根据全息图像的相位分布设计调制图案，包括：确定调制图案的规格参数，包括调制图案的形状、尺寸、排布周期；根据全息图像的相位分布计算若干个结构单元的旋转角度；由若干个结构单元组成调制图案。

另外，根据全息图像的相位分布计算若干个结构单元的旋转角度，具体为：提取全息图像上每一个像素点的相位；根据像素点的相位计算与像素点对应的结构单元的旋转角度，旋转角度根据如下公式计算：θ为旋转角度，为全息图像上像素点的相位。

另外，初始太赫兹波和目标太赫兹波具有相互正交的偏振态。便于通过偏振选择以提取出需要的目标太赫兹波。

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式提供的太赫兹波相位的动态调制原理示意图；

图2是根据本发明第一实施方式提供的太赫兹波相位的动态调制方法流程图；

图3是根据本发明第一实施方式的全息图像的相位分布设计调制图案的方法流程图；

图4是根据本发明第一实施方式的泵浦光光强与产生的电导率的关系曲线图；

图5是根据本发明第一实施方式提供的右旋圆偏振光的转换效率示意图；

图6是根据本发明第一实施方式提供的结构单元的旋转角度示意图；

图7是根据本发明第一实施方式提供的全息图像上像素点的相位随结构单元的旋转角度的变化示意图；

图8是根据本发明第一实施方式提供的调制图案的示意图；

图9是根据本发明第一实施方式提供的太赫兹焦平面成像系统示意图；

图10(a)-10(c)是根据本发明第一实施方式提供的三种调制图案进行全息重建得到的模拟结果示意图；

图10(d)-10(f)是根据本发明第一实施方式提供的三种调制图案进行全息重建得到的实验结果示意图；

图11(a)-11(e)是根据本发明第二实施方式提供的五种调制图案实现纵向变焦透镜的振幅分布示意图；

图11(f)-11(j)是根据本发明第二实施方式提供的五种调制图案实现纵向变焦透镜的相位分布示意图；

图12(a)-12(e)是根据本发明第三实施方式提供的五种调制图案实现横向变焦透镜的振幅分布示意图；

图12(f)-12(j)是根据本发明第三实施方式提供的五种调制图案实现横向变焦透镜的相位分布示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本发明的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。

第一实施方式

本发明第一实施方式涉及一种太赫兹波相位的动态调制方法，用于实现全息图像的动态显示。具体地说，是利用半导体实现金属特性，对太赫兹波的偏振态进行转化，进而实现对太赫兹波相位的动态调制。基于金属对太赫兹波有着良好的调制效应，本发明实施方式对太赫兹波进行动态调制的机理在于使非金属材料的性质在金属和非金属状态之间变换。例如半导体本身是非金属，但是在光照下会产生载流子从而呈现金属特性，并对太赫兹波的相位进行调制。当光照消失时，载流子会恢复到初始状态从而再次呈现非金属状态。

图1是根据本发明第一实施方式提供的太赫兹波相位的动态调制原理示意图。如图1所示，采用一束高强度的脉冲激光作为泵浦光，在泵浦光照射半导体之前，首先经过一组调制图案，例如包括frame1、frame2、frame3。该调制图案使泵浦光只能部分通过，因此，当泵浦光照射到半导体上时，将调制图案投影在半导体上。在半导体上，被泵浦光照射到的区域，半导体内部会产生大量载流子，从而使得该区域的电导率大幅增加，进而呈现金属特性。此时，当一束太赫兹波照射半导体时，半导体的该区域便能够对太赫兹波的相位进行调制。进一步地，对调制后的太赫兹波通过成像测量，可以验证调制效果。例如，当调制图案分别为frame1、frame2、frame3时，成像测量得到的全息图像分别依次显示字母“C”、“N”、“U”。

基于上述太赫兹波相位的动态调制原理，可以设计动态调制图案，以对已知的太赫兹波实现预期的动态相位调制，得到目标太赫兹波。

图2是根据本发明第一实施方式提供的太赫兹波相位的动态调制方法流程图，该方法包括：

S11、确定目标太赫兹波的全息图像的相位分布。

本发明实施方式利用模拟退火算法确定目标太赫兹波的全息图像的相位分布，具体地说，首先设定一个初始解，即一组初始相位，该初始相位对应一个太赫兹波，然后随机改变相位，计算对应的太赫兹波，经过反复迭代求解最接近目标太赫兹波时对应的相位，即全局最优解。

在一个例子中，设定相位分布为2π内的16阶离散，则对应16种旋转的棒状结构。

S12、根据全息图像的相位分布预先设计调制图案。

本发明实施方式中，调制图案由若干个像素组成，每个像素对应一个结构单元，即调制图案由若干个离散排布的结构单元组成。具体地说，结构单元具有非四阶旋转对称性，即结构单元本身旋转90度之后不能和原结构单元重合。此时，当如图1所示的系统中采用该调制图案时，入射的太赫兹波经过半导体后，原偏振态将会部分或者全部转化成正交偏振态，偏振态转化后的太赫兹波即为调制后的目标太赫兹波，且目标太赫兹波携带了相位信息。上述正交偏振态是指偏振方向与原偏振态的偏振方向垂直。例如，水平偏振和竖直偏振可视为一组正交偏振态，左旋圆偏振和右旋圆偏振可视为一组正交偏振态。

进一步地，根据本发明第一实施方式的全息图像的相位分布设计调制图案的方法流程如图3所示，包括：

S121、利用时域有限差分法计算结构单元的规格参数，包括结构单元的形状和尺寸。

本实施方式中，结构单元的形状和尺寸直接影响太赫兹波的偏振转换效率。当调制图案的结构单元采用不同的形状和尺寸时，半导体对入射太赫兹波进行调制时，产生的相位延迟会不同，从而对太赫兹波实现不同的相位调制。偏振转换效率定义为太赫兹波的全息图像强度与入射强度之比。

具体地说，设定结构单元的形状为棒状、“C”形、“V”形、开口矩形中的任一种。在一个例子中，设定结构单元的形状为棒状。棒状结构单元形状简单，辨识度高，投影的图像更加清晰，轮廓分明，且规格参数也便于快速设计。

进一步地，利用时域有限差分法设计棒状结构单元的尺寸，例如长度a和宽度b。在一个例子中，通过对入射圆偏振光透过不同尺寸的棒状结构单元产生的正交偏振的散射场进行模拟仿真，挑选出转换效率最高时对应的棒状结构单元，即得到长度a和宽度b的最优值。设计原理及过程如下：

本实施方式中，半导体上电导率的高低直接影响入射的太赫兹波的偏振转换效率的大小，入射的太赫兹波经过被调制图案投影过的半导体后，透射的太赫兹波包含两部分，一部分为偏振被转换的太赫兹波，携带相位信息，可以称为有用光，另一部分为偏振未被转换的太赫兹波，作为均匀背景存在。电导率越高，偏振转换效率越高，图像对比度就越高。

进一步地，设计棒状结构单元尺寸时，用于产生电导率的泵浦光采用近红外脉冲光，入射的太赫兹波采用左旋圆偏振光，频率为0.5THz。未加载调制图案的情况下，当存在泵浦光时，半导体上产生电导率分布，该左旋圆偏振光入射半导体后，透过率例如为A₀；当不存在泵浦光时，半导体上不产生电导率分布，该左旋圆偏振光入射半导体后，透过率例如为A₁。根据薄膜近似，半导体上产生的电导率计算公式如下：

其中，d为半导体的厚度，Z₀为真空中的匹配阻抗，n为半导体衬底的折射率，T为存在泵浦光和不存在泵浦光时太赫兹波的透过率之比，即T＝A₀/A₁；Z₀＝377Ω；半导体是架立在空气中的，因此n＝1。半导体可采用硅片、砷化镓等。

在一个例子中，半导体为硅片，d＝10μm，使用如此薄的硅片有利于泵浦光将硅片贯穿以降低载流子的扩散效应，从而避免载流子扩散引起图案的畸变。

根据公式(1)，泵浦光的光强不同，产生的电导率不同，得到的太赫兹波的透过率之比T不同。因此，可以得到不同泵浦光光强下得到的电导率的大小。如图4所示，为本发明第一实施方式的泵浦光光强与产生的电导率的关系曲线。可以看出，泵浦光光强与产生的电导率成正比关系。当泵浦光光功率密度最大为2000μJ/cm²时，电导率最大为0.25×10⁴S/m。在一个例子中，考虑实验中采用的用于产生调制图案的数字微反射镜DMD对光强的承受能力，光功率密度不宜大，例如取140μJ/cm²，从图4可以看出，在此光强下，已产生较高的电导率。

进一步地，加载了棒状结构单元后，当左旋圆偏振的太赫兹波入射到半导体上时，出射的右旋圆偏振光的转换效率如图5所示，横坐标表示棒状结构单元的宽度，纵坐标表示棒状结构单元的长度。在每一坐标位置用灰度表示该长度和宽度下棒状结构单元对入射太赫兹波的偏振转换效率，灰度越大，表示偏振转换效率越高。图5中十字符号标注的位置具有最高的偏振转换效率，对应的长度和宽度即棒状结构单元的最优尺寸。

S122、确定调制图案的规格参数，包括调制图案的形状、尺寸、排布周期。

本实施方式中，调制图案的形状可以是圆形或正方形；调制图案的尺寸可以根据入射到半导体上的太赫兹波的光斑的大小来确定，例如调制图案在半导体上的投影区域要能够完全覆盖入射到半导体上的太赫兹波的光斑；排布周期是指构成调制图案的结构单元的排布周期，在一个例子中，结构单元沿横向和纵向的排布周期相同。排布周期的大小与结构单元的尺寸以及全息图像的相位分布有关。具体地说，排布周期与结构单元尺寸的关系应当满足：排布周期大于结构单元的任一径向尺寸；排布周期与全息图像的相位分布的关系应当满足：排布周期的倒数，即结构单元沿横向或纵向的排布密度不小于相位分布图上相同方向上的像素密度，例如等于像素密度。

S123、根据全息图像的相位分布计算若干个结构单元的旋转角度。

出射的右旋偏振的太赫兹波的相位与棒状结构单元的旋转角度成正比。因此，根据全息图像上每一像素位置的相位，可以计算出调制图案上位于对应位置处的棒状结构单元的旋转角度。具体包括：

步骤S1231、提取全息图像上每一个像素点的相位。

具体地说，全息图像上每一个像素点具有不同的相位，按照每一个像素点的坐标提取对应的相位值。

步骤S1232、根据像素点的相位计算调制图案上相同坐标处结构单元的旋转角度。

具体地说，旋转角度根据如下公式计算：

其中，θ为旋转角度，为全息图像上像素点的相位。如图6所示，为本发明第一实施方式的结构单元的旋转角度示意图，旋转角度θ具体是结构单元的中线与X轴的夹角。

根据公式(2)，出射的右旋偏振的太赫兹波的相位与棒状结构单元的旋转角度成呈现两倍的关系，具体如图7所示为本发明第一实施方式的全息图像上像素点的相位随结构单元的旋转角度的变化示意图。例如，当棒状结构单元的旋转角度从0变化到π时，右旋偏振的太赫兹波的相位从0变化到2π。

S124、由若干个结构单元组成调制图案。

具体地说，根据步骤S121-S123得到的调制图案的规格参数、结构单元的规格参数、旋转角度，将若干个结构单元组成调制图案。

在一个例子中，当入射太赫兹波的频率为0.5THz，最终设计的调制图案的形状是正方形，尺寸为7.5mm×7.5mm，排布周期为245μm×245μm，可知，该调制图案共具有30×30个棒状结构单元。如图8所示为本发明第一实施方式的调制图案的示意图，该30×30个棒状结构单元分别具有不同的旋转角度，以产生不同的太赫兹波的相位。

S13、利用空间光调制器生成预先设计的调制图案。

空间光调制器具体是数字微反射镜DMD，设计的调制图案通过调节DMD来实现，可动态调节出任意图案，调节方式快速灵活。进一步在太赫兹波相位的调制中，达到快速切换相位调制结果的效果，理论上与DMD的刷新速度同步，例如目前最高可达4000帧每秒。另外，采用调制图案的方式，也避免了复杂的刻蚀过程。

S14、泵浦光经过调制图案照射在半导体上，在半导体上产生载流子分布。

具体地说，泵浦光经过调制图案后，光强的空间透过率被调节，泵浦光继续照射到半导体上，将调制图案投射在半导体上。同时，半导体受泵浦光照射后，在半导体内部产生载流子分布，并且载流子的分布图案与调制图案一致。

S15、载流子分布产生电导率分布，使半导体具有金属特性。

具体地说，半导体内部产生载流子分布后，具有载流子的区域的电导率大幅增强，电导率如公式(1)计算。半导体上产生按照调制图案分布的电导率之后，半导体具有了金属特性。金属对电磁波有很强的调制特性，即使是很小的结构变化也能起到显著的调制特性，因此当半导体具有了金属特性，可以对太赫兹波产生有效的调制。

S16、初始太赫兹波照射半导体，被半导体调制相位，得到目标太赫兹波。

本实施方式中，具有金属特性的半导体对太赫兹波的调制为纯相位调制，调制后的太赫兹波携带相位信息。具体地说，调制后的太赫兹波的振幅不变，偏振态发生转化。即当初始太赫兹波照射半导体时，半导体对初始太赫兹波的偏振态进行调制，透过半导体的初始太赫兹波，改变为偏振态被调制后的目标太赫兹波。太赫兹波的偏振转换效率与电导率的大小有直接关系。进一步地，初始太赫兹波和目标太赫兹波具有相互正交的偏振态。

在一个例子中，初始太赫兹波的偏振态为左旋圆偏振态，目标太赫兹波的偏振态为右旋圆偏振态。或者初始太赫兹波的偏振态为右旋圆偏振态，目标太赫兹波的偏振态为左旋圆偏振态。

在另一个例子中，初始太赫兹波的偏振态为水平偏振态，目标太赫兹波的偏振态为竖直偏振态。或者初始太赫兹波的偏振态为竖直偏振态，目标太赫兹波的偏振态为水平偏振态。

如图9所示为本发明第一实施方式的太赫兹波相位调制采用的光学系统，该光学系统为太赫兹焦平面成像系统，采用该成像系统进行太赫兹波相位调制的过程如下：

飞秒脉冲激光经过分束棱镜BS后分成两束，其中一束为泵浦光(I)，另一束经过λ/2波片HWP和偏振分束棱镜PBS后，再次分成两束，分别为太赫兹波产生光(II)和探测光(III)。其中：

泵浦光(I)用于将调制图案投影在硅片上。具体地说，泵浦光(I)经过一对凹透镜和凸透镜扩束再准直后照射到数字微反射镜DMD，泵浦光(I)的光强的空间透过率被数字微反射镜DMD加载的调制图案调节，并经过透镜会聚后再透过ITO导电玻璃照射到硅片上，将调制图案投影在半导体上，同时在硅片上按照调制图案产生载流子分布，进而产生电导率分布。

太赫兹产生光(II)用于产生预调制的初始太赫兹波。具体地说，太赫兹产生光(II)经过机械斩波器Chopper，并经过一凹透镜发散后照射到太赫兹产生晶体ZnTe上，由非线性光整流过程产生太赫兹光，即初始太赫兹波；初始太赫兹波经凹面镜准直后再由ITO导电玻璃反射后入射到硅片上，产生电导率的硅片因具有了金属特性对初始太赫兹波的相位进行调制，得到目标太赫兹波。

探测光(III)用于进行成像测量。具体地说，在系统的探测部分，目标太赫兹波继续照射到探测晶体ZnTe上，通过电光效应调制探测晶体的折射率椭球。同时探测光(III)经λ/2波片HWP和偏振片P调整其偏振态之后，由一对凹透镜和凸透镜扩束扩束及准直后，再经分束棱镜BS反射至探测晶体ZnTe上，由探测晶体ZnTe表面反射后传播至系统的成像部分，探测光的偏振态由于探测晶体折射率椭球的改变随之发生改变，因此探测光获取了目标太赫兹波的信息。进一步地，在系统的成像部分，探测光经凸透镜会聚并由λ/4波片QWP对其偏振态进行调整后入射到沃拉斯顿棱镜WP上，分成偏振方向互相垂直、光强相等的两个线偏振光束，并经凸透镜会聚后入射到位于焦平面处的成像设备CCD上。成像设备采用太赫兹差分成像技术进行差分测量。

需要说明的是，本实施方式中，泵浦光(I)和太赫兹波产生光(II)的时延对调制效果有重要影响，控制在皮秒量级。在一个例子中，该时延为泵浦光(I)早于太赫兹波产生光(II)的时间为4ps-10ps，实验中例如具体为4ps。在此时延情况下，载流子已经饱和并且还没有发生扩散，使调制图案产生最佳的调制效果。

在一个例子中，当泵浦光的光功率密度为140μJ/cm²，初始太赫兹波的偏振态为左旋圆偏振态，得到偏振态转换为右旋圆偏振态的目标太赫兹波的转换效率为1.3％。

本实施方式的太赫兹波相位的调制方法可以通过实验进行验证，如图10(a)-10(c)分别为根据本发明第一实施方式提供的三种调制图案进行全息重建得到的模拟结果，图10(d)-10(f)分别为根据本实施方式提供的三种调制图案进行全息重建得到的实验结果。其中，三种调制图案例如分别为frame1、frame2、frame3，全息图像分别对应字母“C”、“N”、“U”。分别对比图10(a)与图10(d)、图10(b)与图10(e)、图10(c)与图10(f),实验结果与模拟结果基本一致，证明了本实施方式的太赫兹波相位的调制方法的可行性以及良好的调制效果。

本实施方式的太赫兹波相位的动态调制方法，利用调制图案调节泵浦光，进而在半导体上产生与调制图案对应的载流子分布，载流子产生电导率使半导体具有金属特性从而实现对太赫兹波的相位的调制，进而实现对太赫兹波的偏振态的调制。本实施方式通过动态生成不同调制图案，实现太赫兹波的纯相位动态调制超表面，调制图案采用几何相位调制方法，此调制方式简单，调制效果稳定，在保证振幅调制相同的同时，实现相位的连续、快速、精确的调制，可实现全息重建。

第二实施方式

本发明第二实施方式涉及一种太赫兹波相位的动态调制方法，用于实现聚焦透镜的纵向动态变焦。该方法包括：

S11、确定目标太赫兹波的全息图像的相位分布。

S12、根据全息图像的相位分布预先设计调制图案。

S13、利用空间光调制器生成预先设计的调制图案。

S14、泵浦光经过调制图案照射在半导体上，在半导体上产生载流子分布。

S15、载流子分布产生电导率分布，使半导体具有金属特性。

S16、初始太赫兹波照射半导体，被半导体调制相位，得到目标太赫兹波。

本实施方式中，当初始太赫兹波的频率为0.5THz，设计了五种调制图案，五种调制图案的形状均是正方形，尺寸为7.5mm×7.5mm，排布周期为245μm×245μm，五种调制图案均包含30×30个棒状结构单元。五种调制图案中，30×30个棒状结构单元的旋转角度的分布情况不相同，因此对太赫兹波的相位调制效果不同，分别对入射的太赫兹波实现不同的聚焦结果。五种调制图案分别用于实现焦距为3mm、4mm、5mm、6mm、7mm的会聚透镜的相位调制。

进一步地，采用如图9所示的太赫兹焦平面成像系统加载五种调制图案并进行成像测量，泵浦光的光功率密度为140μJ/cm²，成像距离为4mm。如图11(a)-11(e)为根据本发明第二实施方式提供的五种调制图案实现纵向变焦透镜的振幅分布示意图。图11(f)-11(j)为根据本发明第二实施方式提供的五种调制图案实现纵向变焦透镜的相位分布示意图。纵向变焦指焦点位置沿光传播方向移动。其中，图11(a)和11(f)对应3mm焦距时在4mm距离处的全息图像，图11(b)和11(g)对应4mm焦距时在4mm距离处的全息图像，图11(c)和11(h)对应5mm焦距时在4mm距离处的全息图像，图11(d)和11(i)对应6mm焦距时在4mm距离处的全息图像，图11(e)和11(j)对应7mm焦距时在4mm距离处的全息图像。如图11(b)所示，对应4mm焦距的调制图案在4mm距离处成像得到的全息图像，聚焦很明显。如图11(a)、11(c)、11(d)、11(e)所示，对应其他4个焦距的调制图案在4mm距离处成像得到的全息图像，呈现散斑现象，说明成像面偏离了焦平面。并且，随着离焦量变大，散斑也越来越大，说明焦点位置发生了纵向移动。如图11(f)-11(j)所示对应的相位分布，也呈现同样的变化规律，证明了利用本实施方式的太赫兹波相位的调制方法可实现聚焦透镜的纵向动态变焦。

本实施方式的太赫兹波相位的动态调制方法，利用调制图案调节泵浦光，进而在半导体上产生与调制图案对应的载流子分布，载流子产生电导率使半导体具有金属特性从而实现对太赫兹波的相位的调制，进而实现对太赫兹波的偏振态的调制。本实施方式通过动态生成不同调制图案，实现太赫兹波的纯相位动态调制超表面，调制图案采用几何相位调制方法，此调制方式简单，调制效果稳定，在保证振幅调制相同的同时，实现相位的连续、快速、精确的调制，可实现聚焦透镜的纵向动态变焦。

第三实施方式

本发明第三实施方式涉及一种太赫兹波相位的动态调制方法，用于实现聚焦透镜的横向动态变焦。该方法包括：

S11、确定目标太赫兹波的全息图像的相位分布。

S12、根据全息图像的相位分布预先设计调制图案。

S13、利用动态图案调制器生成预先设计的调制图案。

S14、泵浦光经过调制图案照射在半导体上，在半导体上产生载流子分布。

S15、载流子分布产生电导率分布，使半导体具有金属特性。

S16、初始太赫兹波照射半导体，被半导体调制相位，得到目标太赫兹波。

本实施方式中，当入射太赫兹波的频率为0.5THz，设计了五种调制图案，五种调制图案的形状均是正方形，尺寸为7.5mm×7.5mm，排布周期为245μm×245μm，五种调制图案均包含30×30个棒状结构单元。五种调制图案中，30×30个棒状结构单元的旋转角度的分布情况不相同，因此对太赫兹波的相位调制效果不同，分别对入射的太赫兹波实现不同的聚焦结果。五种调制图案分别用于实现焦距均为4mm，焦点位于焦平面上五个不同位置的会聚透镜的相位调制。

进一步地，采用如图9所示的太赫兹焦平面成像系统加载五种调制图案并进行成像测量，泵浦光的光功率密度为140μJ/cm²，成像距离为4mm。如图12(a)-12(e)为根据本发明第三实施方式提供的五种调制图案实现横向变焦透镜的振幅分布示意图。图12(f)-12(j)为根据本发明第三实施方式提供的五种调制图案实现横向变焦透镜的相位分布示意图。横向变焦指焦点位置沿焦平面上任一方向移动，例如从上到下移动。五种焦平面全息图像的振幅分布和相位分布均显示，焦点位置从上到下依次变化，该实验结果与预期结果基本一致，证明了利用本实施方式的太赫兹波相位的调制方法可实现聚焦透镜的横向动态变焦。

本实施方式的太赫兹波相位的动态调制方法，利用调制图案调节泵浦光，进而在半导体上产生与调制图案对应的载流子分布，载流子产生电导率使半导体具有金属特性从而实现对太赫兹波的相位的调制，进而实现对太赫兹波的偏振态的调制。本实施方式通过动态生成不同调制图案，实现太赫兹波的纯相位动态调制超表面，调制图案采用几何相位调制方法，此调制方式简单，调制效果稳定，在保证振幅调制相同的同时，实现相位的连续、快速、精确的调制，可实现聚焦透镜的纵向动态变焦。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种太赫兹波相位的动态调制方法，其特征在于，包括：

利用空间光调制器生成预先设计的调制图案；

泵浦光经过所述调制图案照射在半导体上，在所述半导体上产生载流子分布；

所述载流子分布产生电导率分布，使所述半导体具有金属特性；

初始太赫兹波照射所述半导体，被所述半导体调制相位，得到所述目标太赫兹波；

其中，所述调制图案包含若干个离散排布的结构单元。

2.根据权利要求1所述的太赫兹波相位的动态调制方法，其特征在于，所述结构单元为棒状结构。

3.根据权利要求1所述的太赫兹波相位的动态调制方法，其特征在于，所述结构单元具有非四阶旋转对称性。

4.根据权利要求1所述的太赫兹波相位的动态调制方法，其特征在于，所述电导率根据如下公式计算：

其中，为电导率，n为所述半导体的折射率，d为所述半导体的厚度，T为存在所述载流子和不存在所述载流子时太赫兹波的透过率之比。

5.根据权利要求1所述的太赫兹波相位的动态调制方法，其特征在于，所述调制图案根据如下步骤设计：

确定所述目标太赫兹波的全息图像的相位分布；

根据所述全息图像的相位分布设计所述调制图案。

6.根据权利要求5所述的太赫兹波相位的动态调制方法，其特征在于，所述确定所述目标太赫兹波的全息图像的相位分布，具体为利用模拟退火算法，计算所述全息图像的相位分布。

7.根据权利要求5所述的太赫兹波相位的动态调制方法，其特征在于，所述根据所述全息图像的相位分布设计调制图案，包括：

利用时域有限差分法计算所述结构单元的规格参数，包括所述结构单元的形状和尺寸。

8.根据权利要求5所述的太赫兹波相位的动态调制方法，其特征在于，所述根据所述全息图像的相位分布设计调制图案，包括：

确定所述调制图案的规格参数，包括所述调制图案的形状、尺寸、排布周期；

根据所述全息图像的相位分布计算若干个所述结构单元的旋转角度；

由若干个所述结构单元组成所述调制图案。

9.根据权利要求8所述的太赫兹波相位的动态调制方法，其特征在于，所述根据所述全息图像的相位分布计算若干个所述结构单元的旋转角度，具体为：

提取所述全息图像上每一个像素点的相位；

根据所述像素点的相位计算与所述像素点对应的结构单元的旋转角度，所述旋转角度根据如下公式计算：

其中，θ为所述旋转角度，为所述全息图像上像素点的相位。

10.根据权利要求1所述的太赫兹波相位的动态调制方法，其特征在于，所述初始太赫兹波和所述目标太赫兹波具有相互正交的偏振态。