CN111830620A - 一种超薄的透射式太赫兹圆偏振非对称聚焦透镜 - Google Patents

一种超薄的透射式太赫兹圆偏振非对称聚焦透镜 Download PDF

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臧小飞
姚冰双
朱亦鸣
陈麟
谢静雅
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Abstract

本发明公开了一种超薄的透射式太赫兹圆偏振非对称聚焦透镜，提出的双层矩形金属阵列结构加薄膜衬底太赫兹聚焦透镜首次在太赫兹波段实现了超薄的透射式太赫兹圆偏振光的非对称聚焦，能够在右旋圆偏振从正面入射时产生焦点，从反面入射时不能聚焦，通过两层矩形金属结构的叠加打破了结构的对称性，实现了普通透镜不能实现的功能。两层金属矩形阵列结构附着在薄膜衬底层上，厚度仅仅25.3um，并且可根据实际应用场合及要求，通过调整结构参数和结构旋转角度来实现转换频点的调节和焦距的调节。具有损耗低、超薄、体积小、易集成等优点；且该聚焦透镜结构简单，取材广泛，便于加工制备。

Description

一种超薄的透射式太赫兹圆偏振非对称聚焦透镜
技术领域
本发明涉及一种太赫兹透镜，特别涉及一种超薄的透射式太赫兹圆偏振非对称聚焦透镜。
背景技术
太赫兹(THz)波是频率在0.1THz-10THz之间的电磁波，位于微波和远红外之间。随着太赫兹波的产生以及探测技术的发展，太赫兹技术在国际范围内掀起一股研究的热潮。由于太赫兹波本身具有穿透性强、使用安全性高，定向性好等特性，太赫兹技术被广泛应用于生物医学、安全检查以及通信等领域。太赫兹技术的研究主要围绕三大部分内容展开，太赫兹源、太赫兹探测和太赫兹功能器件应用研究。为了满足实际的应用需求，研究人员一直努力发展小型化集成化的太赫兹系统。现有的太赫兹功能器件效率低且体积庞大，如石英波片、聚乙烯透镜等器件。这一现状阻碍了太赫兹技术的发展和小型化太赫兹系统的研发进程。
近年来，基于超表面设计的太赫兹超透镜设计引起了热潮，目前已经在太赫兹波段实现了太赫兹聚焦透镜。今年，中央民族大学的Xiaorong Hong用具有不同直径的圆柱形硅结构在1THz时实现了透射式太赫兹透镜。但是多数此类基于介质的超透镜的超表面透镜其厚度都远远大于基于金属的超表面透镜，且介质超表面透镜对比金属型的超表面透镜更易损坏，从而限制了其应用领域。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：现有太赫兹透镜体积太大集成太赫兹器件困难的问题。
为了解决上述问题，本发明的技术方案是提供了一种超薄的透射式太赫兹圆偏振非对称聚焦透镜，其特征在于：具有周期结构，包括薄膜衬底层，用于连接薄膜衬底层正反两面的矩形金属阵列层一和矩形金属阵列层二；
矩形金属阵列层一，设在薄膜衬底层的正面，包括阵列分布的多个旋转角度不同的矩形金属一，用于调节透射太赫兹波相位使其具有聚焦相位并将入射圆偏振光转化成交叉极化太赫兹波；
矩形金属阵列层二，设在薄膜衬底层的反面，包括阵列分布的多个旋转角度为45°的矩形金属二，用于打破结构对称性；
所述矩形金属一和矩形金属二具有不同的长和宽，单个所述矩形金属一和单个所述矩形金属二及中间的薄膜衬底层形成透镜的单个周期结构。
优选地，所述薄膜衬底层为聚酰亚胺薄膜或聚萘二甲酸乙二醇酯薄膜或聚酯薄膜。
优选地，所述薄膜衬底层的厚度为25微米。
优选地，通过改变所述矩形金属一和矩形金属二的长、宽来调节频点，通过改变所述矩形金属一的旋转角度来调节焦距。
优选地，所述矩形金属阵列层一和矩形金属阵列层二通过光刻或磁控溅射法镀膜设在薄膜衬底层上。
优选地，右旋圆偏振光从所述薄膜衬底层正面入射时聚焦，从薄膜衬底层反面入射时不聚焦，左旋圆偏振光从薄膜衬底层正面入射时不聚焦，从薄膜衬底层反面入射时聚焦。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出的双层矩形金属阵列结构加薄膜衬底太赫兹聚焦透镜首次在太赫兹波段实现了超薄的透射式太赫兹圆偏振光的非对称聚焦，能够在右旋圆偏振从正面入射时产生焦点，从反面入射时不能聚焦，通过两层矩形金属结构的叠加打破了结构的对称性，实现了普通透镜不能实现的功能。
采用传统的方法实现圆偏振的非对称聚焦需要将1/4波片、透镜、偏振器组合在一起，系统结构庞大且光经过厚重的透镜损耗大。本发明提出的两层金属矩形阵列结构附着在薄膜衬底层上，厚度仅仅25.3um，并且可根据实际应用场合及要求，通过调整结构参数和结构旋转角度来实现转换频点的调节和焦距的调节。具有损耗低、超薄、体积小、易集成等优点；且该聚焦透镜结构简单，取材广泛，便于加工制备。
附图说明
图1为本发明超薄的透射式太赫兹圆偏振非对称聚焦透镜单个周期结构正面的俯视图；
图2为本发明超薄的透射式太赫兹圆偏振非对称聚焦透镜单个周期结构反面的俯视图；
图3为本发明超薄的透射式太赫兹圆偏振非对称聚焦透镜单个周期结构的左视图；
图4为本发明超薄的透射式太赫兹圆偏振非对称聚焦透镜十六个周期结构的正面俯视图；
图5为本发明超薄的透射式太赫兹圆偏振非对称聚焦透镜十六个周期结构的反面俯视图；
图6为本发明超薄的透射式太赫兹圆偏振非对称聚焦透镜十六个周期结构的左视图；
图7为本发明超薄的透射式太赫兹圆偏振非对称聚焦透镜单个周期结构正面矩形金属阵列层一在圆偏振光入射下透射的交叉极化光的相位随矩形金属阵列层一旋转角度变化的相位图；
图8为本发明超薄的透射式太赫兹圆偏振非对称聚焦透镜在右旋圆偏振光垂直入射下的圆偏振透射光的透过率图；
图9为本发明超薄的透射式太赫兹圆偏振非对称聚焦透镜在上下两层矩形金属阵列层不完全对齐的情况下的右旋圆偏振光入射下的透射率图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
本发明一种超薄的透射式太赫兹圆偏振非对称聚焦透镜具有周期结构，包括三层，其中第一层是矩形金属阵列层一，用于调节透射光的相位使其具有聚焦相位并将入射圆偏振光转化成交叉极化光；第二层是薄膜衬底层3，用于连接上下两层结构；第三层是旋转角度固定为45°的矩形金属阵列层二，用于打破结构对称性。薄膜衬底层3上下的矩形金属阵列层一和矩形金属阵列层一通过光刻工艺或磁控溅射法镀膜方法制备。
薄膜衬底层3可以采用聚酰亚胺薄膜或聚萘二甲酸乙二醇酯薄膜或聚酯薄膜，其厚度为25um。薄膜衬底层3的正反两面分别刻蚀多个阵列分布的矩形金属一1和矩形金属二2，形成矩形金属阵列层一和矩形金属阵列层二，矩形金属一1和矩形金属二2具有不同的长和宽。单个述矩形金属一1和单个矩形金属二2及中间的薄膜衬底层3形成透镜的单个周期结构。
本发明太赫兹圆偏振非对称聚焦透镜在0.6THz时右旋圆偏振光从薄膜衬底层3正面入射能够聚焦，从薄膜衬底层3反面入射不能聚焦；对于左旋圆偏振光，从薄膜衬底层3反面入射时能够聚焦，从薄膜衬底层3正面入射时不能聚焦，实现圆偏振的非对称聚焦功能。
如图1、2、3所示，本发明一种超薄的透射式太赫兹圆偏振非对称聚焦透镜单个周期结构的长为p，总厚度为t1+d+t2，包括周期排列的两层矩形金属阵列层一和矩形金属阵列层二和聚酰亚胺薄膜。第一层矩形金属阵列层一的厚度为t1，矩形金属一1的长和宽分别为l1、w1，用于调控入射太赫兹波偏振态和相位，将入射圆偏振太赫兹波的相位进行调制，使其聚焦；第二层聚酰亚胺薄膜的厚度为d，能在电磁波传输过程中起到降低损耗的作用且实现超薄的特性，此处并不局限于用聚酰亚胺薄膜；第三层矩形金属阵列层二的厚度为t2，矩形金属二2的长和宽分别为l2、w2，旋转角度固定为45°，用于打破结构对称性使右旋圆偏振从聚酰亚胺薄膜正面入射时能够聚焦，从聚酰亚胺薄膜反面入射不能聚焦，左旋圆偏振从聚酰亚胺薄膜反面入射时能够聚焦，从聚酰亚胺薄膜正面入射时不能聚焦。矩形金属一1和矩形金属二2的结构参数可以被调节来实现转换频点的调节和焦距的调节，通过改变矩形金属一1和矩形金属二2的长、宽来调节频点，通过改变矩形金属一的旋转角度来调节焦距。
本发明超薄的透射式太赫兹圆偏振非对称聚焦透镜由多个周期结构组成，其中图3、4、5所示的超薄的透射式太赫兹圆偏振非对称聚焦透镜的正面和反面的俯视图以及左视图展示了十六个周期的结构。
本实施例中，选取折射率为3.5(1+0.01i)的聚酰亚胺薄膜，使用光刻工艺和磁控溅射法镀膜技术在聚酰亚胺薄膜的前后表面制备周期排列的矩形金属阵列层。通过传统的太赫兹时域光谱系统对制备的超薄的透射式太赫兹圆偏振非对称聚焦透镜进行测试，太赫兹时域光谱系统激发的太赫兹光偏振态是线偏振，所以在太赫兹源于样品之间放置一个四分之一波片以转换线偏振太赫兹波为圆偏振太赫兹波，通过旋转波片角度得到右旋圆偏振光入射到本发明超透镜的正面，最终经过超透镜汇聚到探针上。然后翻转样品，使右旋圆偏振光从超透镜反面入射。测试中，将探针探测到的时域信号进行傅里叶变换得到需要的相位和幅值信息，最后进行时域差分数值仿真，得到超透镜的场分布信息。如图7，超薄的透射式太赫兹圆偏振非对称聚焦透镜正面的矩形金属阵列层一主要作用是进行相位控制，产生聚焦相位，通过旋转正面矩形金属阵列层一的矩形金属一1长轴相对于x轴的角度θ，可以得到相位φ，其中φ＝2θ，因此在0.5-0.9THz范围内可以很容易的通过旋转矩形金属一1的方向来控制相位。如图8，由于在原有的聚焦的矩形金属阵列层一的矩形金属一1上在薄膜衬底层3的反面覆盖了另一层旋转角度固定为45°的矩形金属阵列层二，超透镜的结构对称性被打破，在0.6THz时，右旋圆偏振太赫兹光(LCP)从超透镜正面入射的透过率达到30％，而从反面入射时的透过率几乎为0％，实现了对圆偏振太赫兹光的非对称传输。此外，虽然设计有上下两层矩形金属一1和矩形金属二2结构，但是两层矩形金属一1和矩形金属二2结构的不完全对齐并不影响其功能，如图9所示，当两层矩形金属结构相对中心位置偏差为5.9um和11.8um时，右旋圆偏振光从前面和后面入射时的透射曲线几乎不受影响。由于该偏振转换器是在聚酰亚胺薄膜上制得，所以该偏振转换器兼具超薄，体积小，损耗小等优势。

Claims (6)

1.一种超薄的透射式太赫兹圆偏振非对称聚焦透镜，其特征在于：具有周期结构，包括薄膜衬底层(3)，用于连接薄膜衬底层(3)正反两面的矩形金属阵列层一和矩形金属阵列层二；
矩形金属阵列层一，设在薄膜衬底层(3)的正面，包括阵列分布的多个旋转角度不同的矩形金属一(1)，用于调节透射太赫兹波相位使其具有聚焦相位并将入射圆偏振光转化成交叉极化太赫兹波；
矩形金属阵列层二，设在薄膜衬底层(3)的反面，包括阵列分布的多个旋转角度为45°的矩形金属二(2)，用于打破结构对称性；
所述矩形金属一(1)和矩形金属二(2)具有不同的长和宽，单个所述矩形金属一(1)和单个所述矩形金属二(2)及中间的薄膜衬底层(3)形成透镜的单个周期结构。
2.如权利要求1所述的一种超薄的透射式太赫兹圆偏振非对称聚焦透镜，其特征在于：所述薄膜衬底层(3)为聚酰亚胺薄膜或聚萘二甲酸乙二醇酯薄膜或聚酯薄膜。
3.如权利要求1所述的一种超薄的透射式太赫兹圆偏振非对称聚焦透镜，其特征在于：所述薄膜衬底层(3)的厚度为25微米。
4.如权利要求1所述的一种超薄的透射式太赫兹圆偏振非对称聚焦透镜，其特征在于：通过改变所述矩形金属一(1)和矩形金属二(2)的长、宽来调节频点，通过改变所述矩形金属一(1)的旋转角度来调节焦距。
5.如权利要求1所述的一种超薄的透射式太赫兹圆偏振非对称聚焦透镜，其特征在于：所述矩形金属阵列层一和矩形金属阵列层二通过光刻或磁控溅射法镀膜设在薄膜衬底层(3)上。
6.如权利要求1所述的一种超薄的透射式太赫兹圆偏振非对称聚焦透镜，其特征在于：右旋圆偏振光从所述薄膜衬底层(3)正面入射时聚焦，从薄膜衬底层(3)反面入射时不聚焦，左旋圆偏振光从薄膜衬底层(3)正面入射时不聚焦，从薄膜衬底层(3)反面入射时聚焦。
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