CN110391579A - 一种产生双太赫兹特殊光束的介质超表面 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种产生双太赫兹特殊光束的介质超表面，该介质超表面包括：基底层和介质柱层；介质柱层包括_N×N个介质柱，_N≥1；基底层位于介质柱层下方；介质柱在基底层上排列，每个位置处的介质柱尺寸由根据第一相位梯度值和第二相位梯度值，从预设介质柱尺寸中所选择确定，第一相位梯度值为根据Bessel光束相位分布公式计算得到，第二相位梯度值为根据AAF光束相位分布公式计算得到；基底层用于支撑介质柱层；介质柱层用于将沿不同振动方向的线偏振光分别转换为Bessel光束和AAF光束。本发明实施例实现了在太赫兹波段，将入射的线偏振光转换为Bessel光束和AAF光束。

Description

一种产生双太赫兹特殊光束的介质超表面

技术领域

本发明实施例涉及超材料领域，尤其涉及一种产生双太赫兹特殊光束的介质超表面。

背景技术

理想平面波解是波动方程中最常见的一种解，但由于理想平面波所需的能量是无穷大的，因此，实际上只能产生近似平面波的高斯光束。随着高斯光束的传播，将会由于衍射效应导致光斑发散，因此，高斯光束越来越难以满足光镊、生物细胞工程、光学成像和激光加工等领域的快速发展需求。基于此，人们对具备长距离无衍射特性以及其它特性的特殊光束的需求也越来越强烈。其中，具备长距离无衍射特性的特征光束可以包括Bessel(贝塞尔)光束、Airy光束和Mathieu光束等；其它特性的特征光束可以包括AAF(AbruptlyAutofocusing，突然自汇聚)光束等。由于Bessel光束无衍射传输的范围远超高斯光束，因此，其在成像领域可以提供远远高于高斯光束的景深。Bessel光束传输截面的光斑呈现同心圆环的形状。AAF光束，也被称为CAB(Circular Airy Beam，圆形Airy)光束或RAB(Ring-Airy Beam，环形Airy)，其是一种在传输过程中能量很低，而在焦点处能量突然增强的特殊光束。上述表明，Bessel光束和AAF光束是两种特性截然不同的特殊光束，这两种特殊光束的特点可以形成一个强烈的对比，即在Bessel光束的无衍射范围内，轴上光场强度分布是比较均匀的，而对于AAF光束，轴上强度一开始是极低的，直到焦点附近有一个突然的上升，在焦点后又突然下降。这两种特殊光束在不同的应用领域有着各自的用途。Bessel光束可广泛适用于激光打孔、激光精密准直、光学精密控制、光学微操控、光通信、等离子体导向、光子弹产生、光通信、自聚焦光束的合成以及非线性光学等领域，AAF光束可广泛适用于微粒捕捉、激光烧蚀、太赫兹产生、光子弹以及多光子聚合等领域。

此外，针对产生上述两种特殊光束的波段而言，可采用太赫兹(Terahertz)波段。这是由于太赫兹波具有很多特殊的性质，如对极性分子的指纹识别特性和非破坏性，以及，对非极性分子的透视性等，因此，使得它可以应用到生物医学成像、安检、无损检测和物化分析等各种领域。

现有技术中，未有在太赫兹波段可同时产生Bessel光束和AAF光束的器件。

发明内容

本发明实施例提供了一种产生双太赫兹特殊光束的介质超表面，以实现在太赫兹波段同时产生Bessel光束和AAF光束。

本发明实施例提供了一种产生双太赫兹特殊光束的介质超表面，该介质超表面包括：基底层和介质柱层。介质柱层包括N×N个介质柱，N≥1；所述基底层位于所述介质层下方；所述介质柱在所述基底层上排列，每个位置处的介质柱尺寸由根据第一相位梯度值和第二相位梯度值，从预设介质柱尺寸中所选择确定，所述第一相位梯度值为根据贝塞尔Bessel光束相位分布公式计算得到，所述第二相位梯度值为根据突然自汇聚AAF光束相位分布公式计算得到；

所述基底层用于支撑所述介质柱层；

所述介质柱层用于将沿不同振动方向的线偏振光分别转换为Bessel光束和AAF光束。

进一步的，所述基底层和所述介质柱层的材料为高阻硅。

进一步的，所述线偏振光为频率为1THz的高斯光束。

进一步的，所述基底层尺寸由所述高斯光束的束腰半径确定。

进一步的，所述高斯光束的束腰半径为2.5mm，所述基底层尺寸为6.2mm×6.2mm。

进一步的，所述N＝41；相邻介质柱中心之间的间隔为150μm。

进一步的，所述基底层厚度为500μm，所述介质柱高度为200μm。

进一步的，所述介质柱层用于将沿不同振动方向的线偏振光分别转换为Bessel光束和AAF光束，包括：

所述介质柱层用于将X偏振光转换为Bessel光束，以及，将Y偏振光转换为AAF光束。

进一步的，通过如下方式确定所述预设介质柱尺寸：

基于微波仿真软件，以线偏振光作为入射光扫描介质柱，得到X偏振光和Y偏振光下产生预设相位梯度值所对应的介质柱尺寸，并将所述产生预设相位梯度值所对应的介质柱尺寸作为预设介质柱尺寸。

进一步的，预设相位梯度值用β表示，β∈{0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°，315°}。

本发明通过设计包括基底层和介质柱层的介质超表面，介质柱层包括N×N个介质柱，N≥1，基底层位于介质柱层下方，介质柱在基底层上排列，每个位置处的介质柱尺寸由根据第一相位梯度值和第二相位梯度值，从预设介质柱尺寸中所选择确定，第一相位梯度值为根据Bessel光束相位分布公式计算得到，第二相位梯度值为根据AAF光束相位分布公式计算得到，基底层用于支撑介质柱层，介质柱层用于将沿不同振动方向的线偏振光分别转换为Bessel光束和AAF光束。上述设计的介质超表面实现了在太赫兹波段，将入射的线偏振光转换为Bessel光束和AAF光束。

附图说明

图1是本发明实施例中的一种产生双太赫兹特殊光束的介质超表面的结构示意图；

图2是本发明实施例中的另一种产生双太赫兹特殊光束的介质超表面的结构示意图；

图3是本发明实施例中的一种基于介质超表面产生双太赫兹特殊光束的效果示意图；

图4是本发明实施例中的一种在X偏振光入射情况下的Bessel光束的仿真结果示意图；

图5是本发明实施例中的一种在Y偏振光入射情况下的AAF光束的仿真结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定，实施例中记载的各个特征可进行组合，形成多个可选方案。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

为了设计在太赫兹波段可同时产生Bessel光束和AAF光束的器件，可考虑采用介质超表面，即设计产生双太赫兹特殊光束的介质超表面，这是由于：超材料是一种由亚波长微结构单元通过阵列排布所组成的特殊人工材料，具备优良的电磁波调控能力和自然界材料所不具备的功能，如负折射率、零折射率、隐身、双曲材料和超级成像等。由于超材料所具备的上述性能，因此，超材料又被称为新型人工电磁材料或奇异介质。超材料的上述性能主要来源于其结构单元的结构效应，通过改变结构单元的形状、尺寸以及排列方式，便可实现对电磁波的传播的调控，进而可实现各种调制功能，如光开关、电磁诱导透明、偏振转换、手征性控制和相位调制等。此外，利用功能性材料的相变特点，与超材料微结构相结合，还可以实现主动的电磁波调制器件。

而超表面作为超材料的延伸，是一种由亚波长微结构单元通过各种不同排列方式实现对入射光的振幅、相位和偏振等参量进行的调制的厚度为波长量级的薄层周期性二维超材料。超表面在控制入射光的调制上，遵循广义斯涅耳定律，即如果在入射光的传输界面处引入一个突变的相位，则反射角与折射角将不再满足斯涅耳定律，而是满足广义斯涅耳定律。在这种情况下，即使入射角和折射率均固定，也能通过改变介质超表面的相位梯度达到自由调节透射角度和反射角度的目的。采用超表面产生特殊光束主要的方法有两种，即传播相位法和几何相位法。其中，传播相位法主要用于实现对线偏振光的波前控制，几何相位法主要用于实现对椭圆及圆偏振光的波前控制。针对传播相位法实现对线偏振光的波前控制，可作如下理解：采用传播相位法是实现对线偏振光的波前控制体现在超表面，即是相位梯度的超表面。相位梯度的超表面作为超表面的一个研究方向，在对电磁波的相位等特性的调控上有着广泛的应用。通过将超表面结构单元进行相位梯度的设计，使得相邻单元的相位发生变化，产生相位差，即可实现对电磁波的波前的控制。相位梯度的超表面所具有的特性的物理机制是：入射光与超表面结构单元相互作用后形成了局部共振效应，产生的局部共振模式的层间耦合能在亚波长尺度上对入射光进行一定的调控，从而实现对入射光的波前控制。

由于本发明实施例是将线偏振光作为入射光以产生Bessel光束和AAF光束，因此，本发明实施例将采用传播相位法实现将入射的线偏振光转换为Bessel光束和AAF光束，即本发明实施例将采用相位梯度的超表面在太赫兹波段实现将入射的线偏振光转换为Bessel光束和AAF光束。具体的：在太赫兹波段，通过设计超表面的单元分布，使得在超表面不同位置处有着所需要的不同的相位梯度值，以实现将入射的线偏振光转换为Bessel光束和AAF光束。

此外，根据超表面的材料的不同，可将超表面分为金属超表面和介质超表面。针对金属超表面，存在如下缺陷，具体的：其一、当入射光透射单层金属超表面时，由于仅有小部分光会被调制，且金属结构自身由于欧姆损耗等效应会消耗入射光能的能量，因此，使得入射光的能量利用率较低，进而降低超表面的性能；其二、在实际应用时，为了使金属超表面不改变入射光的偏振态，通常采用多层金属结构。多层金属结构将使得设计和制备过程极其复杂；其三、由于金属超表面的原理是基于金属片的等离子谐振，因此，对应不同波长的入射光，金属超表面的调制效应明显不同。为了解决金属超表面所存在的上述问题，可考虑采用介质超表面。针对介质超表面，首先，由于介质超表面没有金属，因此，将不存在欧姆损耗。上述使得介质超表面的入射光的能量利用率将高于金属超表面；其次，由于介质超表面对入射光的偏振控制相比金属超表面更容易，因此，无需设计多层结构；再者，由于介质超表面的工作机理不是基于金属的等离子谐振，因此，虽然介质超表面也有一定的工作范围，但入射光频率的偏移对最终效果的影响要小于金属超表面。基于此，本发明实施例将采用介质超表面作为产生双太赫兹特殊光束的超表面。

图1为本发明实施例提供的一种产生双太赫兹特殊光束的介质超表面的结构示意图，本实施例可适用于在太赫兹波段同时获得Bessel光束和AAF光束的情况。如图1所示，该产生双太赫兹的介质超表面1具体可以包括基底层10和介质柱层11。介质柱层可以包括N×N个介质柱110，N≥1。图1中仅示出一个介质柱110。下面对其结构和功能进行说明。

基底层10位于介质柱层11的下方。介质柱110在基底层10上排列，每个位置处的介质柱尺寸由根据第一相位梯度值和第二相位梯度值，从预设介质柱尺寸中所选择确定，第一相位梯度值可为根据Bessel光束相位分布公式计算得到，第二相位梯度值可为根据AAF光束相位分布公式计算得到。

基底层10可用于支撑介质柱层11。

介质柱层11可用于将沿不同振动方向的线偏振光分别转换为Bessel光束和AAF光束。

在本发明的实施例中，如图1所示，产生双太赫兹特殊光束的介质超表面1可以包括基底层10和介质柱层11，介质柱层11可以包括N×N个介质柱110，即N行N列，N≥1。基底层10和介质柱层11的材料可为高折射率半导体材料，高折射率半导体材料可以包括硅、锗和碲等介质。基底层10可位于介质柱层11的下方，可用于支撑介质柱层11。基底层10的基底层长度可用e表示，基底层10的基底层宽度可用f表示，基底层10的基底层厚度可用h表示。介质柱层11中的各介质柱110在基底层10上周期性排列，相邻介质柱110中心之间的距离可以相等，也可以不相等，具体可根据实际情况进行设定，在此不作具体限定。介质柱110的介质柱长度可用l_s表示，介质柱110的介质柱宽度可用m_t表示，介质柱110的介质柱高度可用g表示。

为了实现介质柱层11将不同振动方向的线偏振光分别转换为Bessel光束和AAF光束，可采用相位梯度调制，即在基底层10的不同位置处设置对应尺寸的介质柱110，该介质柱110可产生对应的相位梯度值。每个位置处的介质柱110的介质柱尺寸可由根据Bessel光束相位分布公式和AAF光束相位分布公式，从预设介质柱尺寸中所选择确定的。其中，Bessel光束相位分布公式可为：AAF光束相位分布公式可为上述公式中，x可表示介质柱中心距介质超表面中心的横向距离，y可表示介质柱中心距介质超表面中心的纵向距离。介质超表面中心可理解为基底层10与介质柱层11所接触的表面的中心点。介质柱中心可理解为介质柱层11与基底层10所接触的表面的中心点。此外，可令r可表示介质柱中心距介质超表面中心的直线距离。相应的，Bessel光束相位分布公式可表示为AAF光束相位分布公式可表示为λ_d可表示入射光在真空中的波长，30μm≤λ_d≤3000μm。由于本发明实施例的入射光为线偏振光，因此，λ_d表示线偏振光在真空中的波长。此外，由于波段为太赫兹波段，因此，30μm≤λ_d≤3000μm。k可为大于等于2的正整数。

针对Bessel光束相位分布公式，|m_B|可表示Bessel光束的阶数，可表示方向角，m_B可为整数。针对可作如下理解：可将介质超表面1设置于极坐标系下，并将介质超表面中心设置为极坐标系原点，则各介质柱110的介质柱中心的坐标即为可用于产生高阶Bessel光束。上述表明，介质超表面1可产生光束阶数可调的Bessel光束。NA可表示数值孔径。可以理解到，在入射光在真空中的波长λ_d、数值孔径NA、Bessel光束的阶数|m_B|和方向角确定的情况下，将不同(x，y)代入Bessel光束相位分布公式，可得到对应的第一相位梯度值φ_B(x，y)。

针对AAF光束相位分布公式，r₀可表示AAF光束的初始半径；a可表示AAF光束的传输轨迹参量；|m_A|可表示AAF光束的阶数，m_A可为整数，可表示涡旋相位。可表示产生的是|m_A|阶AAF光束。AAF光束相位分布公式描述的是产生初始半径为r₀，传输轨迹为c(z)＝r₀-az^k的AAF光束所需要的介质超表面1的相位分布情况。根据c(z)＝r₀-az^k可实现多种AAF光束传输轨迹的设计。根据传输轨迹c(z)＝r₀-az^k，当c(z)＝0时，此时，指的是AAF光束的焦点位置z_c，即上述表明，可通过调整AAF光束的传输轨迹参量和AAF光束的初始半径r₀来调整AAF光束的焦点位置z_c。可以理解到，在入射光在真空中的波长λ_d、初始半径r₀、常数k、AAF光束的传输轨迹参量a、AAF光束的阶数|m_A|和涡旋相位确定的情况下，将不同(x，y)代入AAF光束相位分布公式，可得到对应的第二相位梯度值φ_A(x，y)。

预设介质柱尺寸即指预先设置了不同尺寸的介质柱110，每种尺寸的介质柱110可对应一种相位梯度值。由于每个介质柱110都是亚波长结构，可通过改变介质柱110的介质柱尺寸，对入射的线偏振光进行全相位的延迟调制。一般情况下，介质超表面通过N个相似介质柱110按一定的分布排列来实现2π的相位变化。为了简化设计，可预先设计不同尺寸的介质柱110，上述尺寸可作为预设介质柱尺寸，每个预设介质柱尺寸的介质柱110可产生对应的相位梯度值。基于上述，可通过如下方式确定预设介质柱尺寸，具体的：为了确定预设介质柱尺寸，以使采用预设介质柱尺寸的介质柱110，按一定的分布排列方式排列时，可实现2π的相位变化，可采用仿真方法的方式确定。目前主要仿真软件采用的算法可包括如下三种，即有限元法、矩阵法和有限差分法。有限差分法可包括时域有限差分法(FiniteDifference Time Domain，FDTD)。针对时域有限差分法，其主要采用的仿真软件为CSTMicrowave Studio(CST微波仿真软件)。本发明实施例将采用CST微波仿真软件，以线偏振光作为入射光扫描介质柱，得到X偏振光和Y偏振光下产生预设相位梯度值所对应的介质柱尺寸，并将产生预设相位梯度值所对应的介质柱尺寸作为预设介质柱尺寸。设定预设相位梯度值可用β表示，β∈{β₁，β₂，......，β_j，......，β_R-1，β_R}，R≥8；预设介质柱尺寸可用(l_s，m_t)表示，l_s可表示预设介质柱长度，m_t可表示预设介质柱宽度，s∈{1，2，......，j，......，R-1，R}，t∈{1，2，......，j，......，R-1，R}。基于此，将可确定R×R个预设介质柱尺寸，每个预设相位梯度值与每个预设介质柱尺寸的关系可表示为β_s/β_t→(l_s，m_t)，其中，β_s/β_t中β_s可表示Y偏振光对应的预设相位梯度值，β_t可表示X偏振光对应的预设相位梯度值。上述可用表格进行体现，如表1所示，给出了一种相位梯度值与介质柱尺寸的关系表。表1中第一行和第一列分别介质柱110对X偏振光提供的预设相位梯度值，以及，对Y偏振光提供的预设相位梯度值。

表1

Y\X

β<sub>1</sub>

β<sub>2</sub>

......

β<sub>j</sub>

......

β<sub>R-1</sub>

β<sub>R</sub>

β<sub>1</sub>

l<sub>1</sub>，m<sub>1</sub>

l<sub>1</sub>，m<sub>2</sub>

......

l<sub>1</sub>，m<sub>j</sub>

......

l<sub>1</sub>，m<sub>R-1</sub>

l<sub>1</sub>，m<sub>R</sub>

β<sub>2</sub>

l<sub>2</sub>，m<sub>1</sub>

l<sub>2</sub>，m<sub>2</sub>

......

l<sub>2</sub>，m<sub>j</sub>

......

l<sub>2</sub>，m<sub>R-1</sub>

l<sub>2</sub>，m<sub>R</sub>

......

......

......

......

......

......

......

......

β<sub>j</sub>

l<sub>j</sub>，m<sub>1</sub>

l<sub>j</sub>，m<sub>2</sub>

......

l<sub>j</sub>，m<sub>j</sub>

......

l<sub>j</sub>，m<sub>R-1</sub>

l<sub>j</sub>，m<sub>R</sub>

......

......

......

......

......

......

......

......

β<sub>R-1</sub>

l<sub>R-1</sub>，m<sub>1</sub>

l<sub>R-1</sub>，m<sub>2</sub>

......

l<sub>R-1</sub>，m<sub>j</sub>

......

l<sub>R-1</sub>，m<sub>R-1</sub>

l<sub>R-1</sub>，m<sub>R</sub>

β<sub>R</sub>

l<sub>R</sub>，m<sub>1</sub>

l<sub>R</sub>，m<sub>2</sub>

......

l<sub>R</sub>，m<sub>j</sub>

......

l<sub>R</sub>，m<sub>R-1</sub>

l<sub>R</sub>，m<sub>R</sub>

介质柱层11可用于将沿不同振动方向的线偏振光分别转换为Bessel光束和AAF光束，可作如下理解：由于一束线偏振光可分解为两束振动方向相互垂直、不等振幅和相干的线偏振光。X偏振光与Y偏振光为振动方向相互垂直、不等振幅和相干的线偏振光，因此，介质柱层11可用于将X偏振光转换为Bessel光束，以及，将Y偏振光转换为AAF光束。或者，介质柱层11可用于将X偏振光转换为AAF光束，以及，将Y偏振光转换为Bessel光束。上述具体可根据实际情况进行设定，在此不作具体限定。

基于上述，每个位置处的介质柱尺寸可由根据第一相位梯度值和第二相位梯度值，从预设介质柱尺寸中所选择确定，第一相位梯度值为根据Bessel光束相位分布公式计算得到，第二相位梯度值为根据AAF光束相位分布公式计算得到，可作如下理解：在线偏振光在真空中的波长λ_d、数值孔径NA、Bessel光束的阶数|m_B|、方向角初始半径r₀、常数k、AAF光束的传输轨迹参量a、AAF光束的阶数|m_A|和涡旋相位确定的情况下，针对每个(x，y)，可将该(x，y)分别代入Bessel光束相位分布公式和AAF光束相位分布公式，得到第一相位梯度值φ_B(x，y)和第二相位梯度值φ_A(x，y)。

如果介质柱层11可用于将X偏振光转换为Bessel光束，以及，将Y偏振光转换为AAF光束，则可从表1中第一行中查询与第一相位梯度值φ_B(x，y)最接近的预设相位梯度值β_t，可从表1中第一列中查询与第二相位梯度值φ_A(x，y)最接近的预设相位梯度值β_s。根据确定出的预设相位梯度值β_t和预设相位梯度值β_s，确定β_s/β_t对应的(l_s，m_t)。基于此，可建立该(x，y)与(l_s，m_t)的对应关系。相应的，可将该(x，y)对应处的介质柱110的介质柱尺寸设置为(l_s，m_t)。

如果介质柱层11可用于将X偏振光转换为AAF光束，以及，将Y偏振光转换为Bessel光束，则可从表1中第一列中查询与第一相位梯度值φ_B(x，y)最接近的预设相位梯度值β_s，可从表1中第一行中查询与第二相位梯度值φ_A(x，y)最接近的预设相位梯度值β_t。根据确定出的预设相位梯度值β_t和预设相位梯度值β_s，确定β_s/β_t对应的(l_s，m_t)。基于此，可建立该(x，y)与(l_s，m_t)的对应关系。相应的，可将该(x，y)对应处的介质柱110的介质柱尺寸设置为(l_s，m_t)。

针对每个(x，y)均可采用上述方式得到对应的(l_s，m_t)，进而可将该(x，y)对应处的介质柱110的介质柱尺寸设置为(l_s，m_t)。上述即可实现当将每个位置处的介质柱110的介质柱尺寸按照上述方式进行设置，则可在太赫兹波段，介质柱层11将沿不同振动方向的线偏振光分别转换为Bessel光束和AAF光束。

本实施例的技术方案，通过设计包括基底层和介质柱层的介质超表面，介质柱层包括N×N个介质柱，N≥1，基底层位于介质柱层下方，介质柱在基底层上排列，每个位置处的介质柱尺寸由根据第一相位梯度值和第二相位梯度值，从预设介质柱尺寸中所选择确定，第一相位梯度值为根据Bessel光束相位分布公式计算得到，第二相位梯度值为根据AAF光束相位分布公式计算得到，基底层用于支撑介质柱层，介质柱层用于将沿不同振动方向的线偏振光分别转换为Bessel光束和AAF光束。上述设计的介质超表面实现了在太赫兹波段，将入射的线偏振光转换为Bessel光束和AAF光束。

可选的，在上述技术方案的基础上，基底层10和介质柱层11的材料可为高阻硅。

在本发明的实施例中，基底层10和介质柱层11的材料可以为高阻硅。高阻硅的电磁特性参数中介电常数可为11.9，电阻率可为4000Ω·cm。如果入射的线偏振光的频率为1THz，则在此情况下，高阻硅的折射率n＝3.4496。

可选的，在上述技术方案的基础上，线偏振光为频率为1THz的高斯光束。

在本发明的实施例中，不同振动方向的线偏振光可为频率为1THz的高斯光束。即X偏振光和Y偏振光均可为频率为1THz的高斯光束。

可选的，在上述技术方案的基础上，基底层尺寸由高斯光束的束腰半径确定。

在本发明的实施例中，为了提高入射光的利用率，基底层尺寸可由高斯光束的束腰半径确定。基底层尺寸可用e×f表示，其中，e可表示基底层10的基底层长度，f可表示基底层10的基底层宽度。高斯光束的束腰半径可用ω₀表示。基于上述，基底层尺寸可由高斯光束的束腰半径确定，可作如下理解：e≥f≥2ω₀。示例性的，如高斯光束的束腰半径为ω₀＝2.5mm，则基底层尺寸可设置为e≥f≥5mm。

此外，需要说明的是，Bessel光束相位分布公式中数值孔径NA＝sinθ＝sin(sin^-1(n×sinα)-α)，其中，θ可表示折射角；n可表示介质的折射率；α可表示所述介质柱110等效的轴棱锥的底角度数。Bessel光束无衍射距离公式可表示为Z_max可表示Bessel光束无衍射距离，则在介质柱110等效的轴棱锥的底角度数α和介质的折射率n确定的情况下，可根据高斯光束的束腰半径ω₀确定Bessel光束无衍射距离Z_max。上述表明，可通过控制高斯光束的束腰半径ω₀来调节Bessel光束无衍射距离Z_max。

可选的，在上述技术方案的基础上，高斯光束的束腰半径为2.5mm，基底层尺寸为6.2mm×6.2mm。

可选的，在上述技术方案的基础上，N＝41。

可选的，在上述技术方案的基础上，介质柱110可在基底层10上等间隔排列。

可选的，在上述技术方案的基础上，相邻介质柱中心之间的间隔可为150μm。

在本发明的实施例中，介质柱层11可以包括41×41个介质柱110。此外，介质柱110可在基底层10上等间隔排列。更为具体的，相邻介质柱中心之间的间隔可为150μm。

可选的，在上述技术方案的基础上，基底层厚度可为500μm。

可选的，在上述技术方案的基础上，介质柱高度可为200μm。

可选的，在上述技术方案的基础上，介质柱层11可用于将沿不同振动方向的线偏振光分别转换为Bessel光束和AAF光束，具体可以包括：介质柱层11可用于将X偏振光转换为Bessel光束，以及，将Y偏振光转换为AAF光束。

在本发明的实施例中，介质柱层11可用于将X偏振光转换为Bessl光束。同时，介质柱层11还可用于将Y偏振光转换为AAF光束。其中，介质柱层11上各位置处的介质柱110的介质柱尺寸为由根据Bessel光束相位分布公式、AAF光束相位分布公式，从预设介质柱尺寸中所选择确定的。

可选的，在上述技术方案的基础上，可通过如下方式确定预设介质柱尺寸：基于微波仿真软件，以线偏振光作为入射光扫描介质柱，得到X偏振光和Y偏振光下产生预设相位梯度值所对应的介质柱尺寸，并将所述产生预设相位梯度值所对应的介质柱尺寸作为预设介质柱尺寸。

在本发明的实施例中，为了确定预设介质柱尺寸，以使采用预设介质柱尺寸的介质柱110，按一定的分布排列方式排列时，可实现2π的相位变化，可采用仿真方法的方式确定。仿真软件可为CST微波仿真软件，即CST Microwave Studio。基于该CST微波仿真软件，以线偏振光作为入射光扫描介质柱，得到X偏振光和Y偏振光下产生预设相位梯度值所对应的介质柱尺寸，并可将产生预设相位梯度值所对应的介质柱尺寸作为预设介质柱尺寸。预设相位梯度值可根据实际情况进行设定，在此不作具体限定。示例性的，如预设相位梯度值可用β表示，β∈{0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°，315°}，或者，β∈{0°，22.5°，45°,67.5°，90°,112.5°，135°,157.5°，180°，202.5°，225°,247.5°，270°,292.5°，315°}。基于此，表1可具体为表2，如表2所示，给出了另一种相位梯度值与介质柱尺寸的关系表。同样的，表2中第一行和第一列分别介质柱110对X偏振光提供的预设相位梯度值，以及，对Y偏振光提供的预设相位梯度值。表2中单位均为μm。

表2

Y\X

0°

45°

90°

135°

180°

225°

270°

315°

0°

75，75

63.5，81

57.5，85

53.5，89.5

50，93.5

44.5，103

35，121

98.5，68.5

45°

81，63.5

67.5，67.5

60.5，70.5

56.5，73

53，75

47.5，80

53.5，89.5

108，59

90°

85，57.5

70.5，60.5

63，63

59，64

55，66

50，68.5

41.5，75.5

114.5，53.5

135°

89.5，53.5

73，56.5

64，59

60，60

56.5，61.5

51，64

43，69

120，50

180°

93.5，50

75，53

66，55

61.5，56.5

57.5，57.5

52，59.5

44，64

126，46.5

225°

103，44.5

80，47.5

68.5，50

64，51

59.5，52

54，54

45.5，57.5

135，41.5

270°

131，35

90.5，39.5

75.5，41.5

69，43

64，44

57.5，45.5

48.5，48.5

30，59

315°

68.5，98.5

59，108

53.5，114.5

50，120

46.5，126

41.5，135

59，30

36，36

介质柱层11可用于将X偏振光转换为Bessel光束，以及，将Y偏振光转换为AAF光束，则可从表2中第一行中查询与第一相位梯度值φ_B(x，y)最接近的预设相位梯度值β_t，可从表2中第一列中查询与第二相位梯度值φ_A(x，y)最接近的预设相位梯度值β_s。根据确定出的预设相位梯度值β_t和预设相位梯度值β_s，确定β_s/β_t对应的(l_s，m_t)。基于此，可建立该(x，y)与(l_s，m_t)的对应关系。相应的，可将该(x，y)对应处的介质柱110的介质柱尺寸设置为(l_s，m_t)。

可选的，在上述技术方案的基础上，预设相位梯度值可用β表示，β∈{0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°，315°}。

可选的，在上述技术方案的基础上，NA＝0.25；k＝2；r₀＝600μm，a＝2.96296×10^-5。

在本发明的实施例中，数值孔径NA＝0.25，其可通过如下方式确定，具体的：设定φ_B(0，0)＝0，以及，波长λ_d＝300μm，将上述代入Bessel光束相位分布公式，可以得到数值孔径NA＝0.25。

为了更好的理解本发明实施例所提供的技术方案，下面通过具体示例进行说明。设定基底层10和介质柱层11的材料为高阻硅。基底层10的基底层长度e＝6.2mm，基底层10的基底层宽度f＝6.2mm，基底层10的基底层厚度h＝500μm；介质柱层11中相邻介质柱中心之间间隔为150μm，每个介质柱110的介质柱高度g＝200μm。入射的线偏振光为频率为1THz的高斯光束，波长λ_d＝300μm；数值孔径NA＝0.25，Bessel光束的阶数|m_B|＝0；初始半径r₀＝600μm，常数k＝2，AAF光束的传输轨迹参量a＝2.96296×10^-5，AAF光束的阶数|m_A|＝0。预设介质柱尺寸可参见表2。介质柱层11可用于将X偏振光转换为Bessel光束，以及，将Y偏振光转换为AAF光束。

基于上述，从表2中第一行中查询与第一相位梯度值φ_B(x，y)最接近的预设相位梯度值β_t，可从表2中第一列中查询与第二相位梯度值φ_A(x，y)最接近的预设相位梯度值β_s。根据确定出的预设相位梯度值β_t和预设相位梯度值β_s，确定β_s/β_t对应的(l_s，m_t)。基于此，可建立该(x，y)与(l_s，m_t)的对应关系。相应的，可将该(x，y)对应处的介质柱110的介质柱尺寸设置为(l_s，m_t)。上述即可实现当将每个位置处的介质柱110的介质柱尺寸按照上述方式进行设置，则可在太赫兹波段，介质柱层11可用于将X偏振光转换为Bessel光束，以及，将Y偏振光转换为AAF光束。如图2所示，给出了另一种产生双太赫兹特殊光束的介质超表面的结构示意图。图2即为采用上述方式确定基底层10上每个位置处的介质柱110的介质柱尺寸，将各介质柱110按确定的介质柱尺寸放置在对应位置。

在图2提供的介质超表面的基础上，如图3所示，给出了一种基于介质超表面产生双太赫兹特殊光束的效果示意图。双太赫兹特殊光束即为Bessel光束和AAF光束。

在图2提供的介质超表面的基础上，如图4所示，给出了一种在X偏振光入射情况下的Bessel光束的仿真结果示意图。图4中黑色虚线表示10mm处的位置。

在图2提供的介质超表面的基础上，如图5所示，给出了一种在Y偏振光入射情况下的AAF光束的仿真结果示意图。图5中白色虚线表示AAF光束的传输轨迹，黑色虚线表示AAF光束的焦平面。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种产生双太赫兹特殊光束的介质超表面，其特征在于，包括：基底层和介质柱层；所述介质柱层包括N×N个介质柱，N≥1；所述基底层位于所述介质柱层下方；所述介质柱在所述基底层上排列，每个位置处的介质柱尺寸由根据第一相位梯度值和第二相位梯度值，从预设介质柱尺寸中所选择确定，所述第一相位梯度值为根据贝塞尔Bessel光束相位分布公式计算得到，所述第二相位梯度值为根据突然自汇聚AAF光束相位分布公式计算得到；

所述基底层用于支撑所述介质柱层；

所述介质柱层用于将沿不同振动方向的线偏振光分别转换为Bessel光束和AAF光束。

2.根据权利要求1所述的介质超表面，其特征在于，所述基底层和所述介质柱层的材料为高阻硅。

3.根据权利要求1所述的介质超表面，其特征在于，所述线偏振光为频率为1THz的高斯光束。

4.根据权利要求3所述的介质超表面，其特征在于，所述基底层尺寸由所述高斯光束的束腰半径确定。

5.根据权利要求4所述的介质超表面，其特征在于，所述高斯光束的束腰半径为2.5mm，所述基底层尺寸为6.2mm×6.2mm。

6.根据权利要求5所述的介质超表面，其特征在于，所述N＝41；相邻介质柱中心之间的间隔为150μm。

7.根据权利要求1所述的介质超表面，其特征在于，所述基底层厚度为500μm，所述介质柱高度为200μm。

8.根据权利要求1所述的介质超表面，其特征在于，所述介质柱层用于将沿不同振动方向的线偏振光分别转换为Bessel光束和AAF光束，包括：

所述介质柱层用于将X偏振光转换为Bessel光束，以及，将Y偏振光转换为AAF光束。

9.根据权利要求1-8任一所述的介质超表面，其特征在于，通过如下方式确定所述预设介质柱尺寸：

基于微波仿真软件，以线偏振光作为入射光扫描介质柱，得到X偏振光和Y偏振光下产生预设相位梯度值所对应的介质柱尺寸，并将所述产生预设相位梯度值所对应的介质柱尺寸作为预设介质柱尺寸。

10.根据权利要求9所述的介质超表面，其特征在于，预设相位梯度值用β表示，β∈{0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°，315°}。