CN112305645B - 一种超表面透镜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超表面透镜，包括：柔性基底和光天线阵列；所述光天线阵列设置于所述柔性基底上；所述光天线阵列由多个按照透镜相位分布的光天线单元组成，各所述光天线单元散射的电磁波的振幅相同、相位变化范围在0到2π之间。本发明公开的超表面透镜，厚度薄、可弯曲折叠，经过设计可适用于太赫兹波段、红外和微波等电磁波段。

Description

一种超表面透镜
技术领域
本发明属于光学器件技术领域，尤其涉及一种超表面透镜。
背景技术
超表面是一种人工平面电磁结构，由一系列亚波长光天线单元组成。基于电磁共振原理，通过改变光天线单元的结构尺寸，可实现对电磁波相位的调节。将光天线单元按照透镜的相位分布进行排列，可组成超薄的超表面透镜。现有的超表面透镜的基底都是采用硅、石英、蓝宝石等硬质基底，厚度均在500μm 以上才能保证对超表面透镜足够的支撑，通常采用紫外光刻、蒸镀等工艺加工实现。仍然面临加工工序复杂、加工成本高、无法自由弯曲等问题。
随着人工智能时代的到来，人们对智能化的可穿戴设备以及小型化高集成度的设备提出了更大的需求，因此，可弯曲、超薄的透镜能够将被广泛地应用于实际生活之中，为集成化光学系统进一步发展提供技术保障。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：现有的硅基超表面透镜存在基底厚度大、器件无法弯曲的问题。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种超表面透镜，其中，所述超表面透镜包括：柔性基底和光天线阵列；
所述光天线阵列设置于所述柔性基底上；
所述光天线阵列由多个按照透镜相位分布的光天线单元组成，各所述光天线单元散射的电磁波的振幅相同、相位变化范围在0到2π之间。
优选的，所述光天线阵列通过喷墨打印工艺制备在所述柔性基底上。
优选的，所述柔性基底的材质包括：聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、芳酰胺纤维纸、聚氯乙烯、菲林胶片、聚二甲基硅氧烷以及聚对苯二甲酸乙二醇脂中的至少一种。
优选的，所述光天线单元的结构为以下任意之一：条形、C形、V形、H 形以及十字形；
所述各所述光天线单元尺寸相同、方位角不同；
所述光天线阵列中的各所述光天线单元尺寸相同、方位角不同。
优选的，所述光天线单元材料为导电率大于1×105S/m的金属浆料。
优选的，所述光天线单元的结构为：圆柱形或矩形砖块。
优选的，所述光天线单元材料为介质浆料。
优选的，当所述光天线单元为金属浆料的条形光天线单元时，所述光天线单元的入射波为左旋或右旋圆偏振波，出射的圆偏振波的电矢量的旋转方向与入射的圆偏振波的电矢量的旋转方向相反；
优选的，当所述光天线单元的结构为C形、V形、H形或十字形中任意之一、且所述光天线单元的材质为金属浆料时，所述光天线单元的入射波为线偏振波，出射的线偏振波的偏振方向与入射波的偏振方向垂直。
优选的，当所述光天线单元为介质浆料的圆柱形、矩形砖块结构的光天线单元时，所述光天线单元的出射波的偏振态与入射波的偏振态一致。
本发明具有以下优点：
本发明实施例公开了一种超表面透镜，该超表面透镜包括柔性基底和光天线阵列；光天线阵列设置于柔性基底上；光天线阵列由多个按照透镜相位分布的光天线单元组成，各光天线单元散射的电磁波的振幅相同、相位变化范围在 0到2π之间。本发明实施例中通过在柔性基底上设置光天线阵列制备出超表面透镜，一方面，由于柔性基底相较于硅、石英、蓝宝石等硬质基底厚度小，因此能够减小硅基超表面透镜的整体厚度；又一方面，由于所采用的基底为柔性基底，因此所制备出的超表面透镜可弯曲、折叠。
附图说明
图1为本发明实施例的超表面透镜的结构示意图；
图2为本发明实施例条形光天线单元的结构图；
图3为本发明实施例制备的超表面透镜部分区域的显微镜图；
图4为本发明实施例制备的超表面透镜焦平面上电磁波聚焦的测试结果；
图5为本发明实施例制备的超表面透镜在波束传播方向上电磁波聚焦的测试结果。
具体实施方式
下面根据具体的实施例，结合附图针对本发明进行详细说明。应当理解，此处所述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为本发明实施例提供的超表面透镜的结构示意图。
如图1所示，超表面透镜包括：柔性基底11和光天线阵列13，光天线阵列13设置于柔性基底11上，光天线阵列13由多个按照透镜相位分布的光天线单元12组成，光天线单元又可称相位调制单元。
光天线阵列13中的各光天线单元12尺寸相同、方位角不同，可实现透镜的相位分布。各光天线单元12散射的电磁波的振幅相同、相位变化范围在0 到2π之间。
柔性基底的材质包括：聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、芳酰胺纤维纸、聚氯乙烯、菲林胶片、聚二甲基硅氧烷以及聚对苯二甲酸乙二醇脂中的至少一种，在制备过程中本领域技术人员可根据实际需求灵活选择上述所列举的任意一种材质的基底作为制备超表面透镜的基底。
优选地，将超表面透镜的柔性基底设置厚度为2μm的菲林胶片。该种材质、厚度的基底制作工艺简单、成本低。
光天线单元材料可以为导电率大于1×105S/m的金属浆料，也可以为介质浆料。光天线单元的结构可以为圆柱形、矩形砖块，还可以为条形即矩形、C 形、V形、H形以及十字形等。光天线单元的结果不同则制备时所采用的材料不同。当制备圆柱形或矩形砖块的光天线单元时，需采用介质浆料，当制备条形、C形、V形、H形以及十字形的光天线单元时，需采用金属浆料，如金浆、银浆等。
可选地，光天线阵列通过喷墨打印工艺制备在柔性基底上。通过喷墨打印技术将金属浆料喷涂到柔性基底上形成的太赫兹超表面透镜，与硅、石英等硬质基底相比，基底厚度可降低100倍以上。此外，利用喷墨打印技术紫外光刻加工技术相比，具有一次成型、加工时间短等优势，能够大大降低成本。
本发明实施例提供的超表面透镜具有将电磁波聚焦于预定焦距处的特性以及偏振转换特性。聚焦后电磁波的偏振态会发生改变。当光天线单元为金属浆料的条形光天线单元时，光天线单元的入射波为左旋或右旋圆偏振波，出射的圆偏振波的电矢量的旋转方向与入射的圆偏振波的电矢量的旋转方向相反；当光天线单元的结构为C形、V形、H形或十字形中任意之一、且光天线单元的材质为金属浆料时，光天线单元的入射波为线偏振波，出射的线偏振波的偏振方向与入射波的偏振方向垂直。当光天线单元为介质浆料的圆柱形、矩形砖块结构的光天线单元时，光天线单元的出射波的偏振态与入射波的偏振态一致。
由多个条形光天线单元组成的光天线阵列可称为条形光天线阵列。条形光天线阵列由不同旋转角度的条形光天线单元组成，每个方位角为θ的条形光天线单元可引起散射波相位的变化量为
Figure BDA0002689861850000041
条形光天线阵列引起的相位分布需满足透镜的相位分布
Figure BDA0002689861850000042
其中(x,y) 为条形光天线阵列中每个条形天线单元的坐标，N为整数，λ为超表面透镜的工作波长，f为超表面透镜的焦距。对于一维柱透镜，其相位分布可化简为
Figure BDA0002689861850000043
条形光天线阵列中每个条形光天线单元的方位角为
Figure BDA0002689861850000044
如图2所示，本实施例中所述的电磁波相位调制单元即光天线单元12为条形结构。条形光天线单元的材质为银浆，条形光天线单元的宽度为w＝10 μm，长度为l＝120μm，条形光天线单元在水平x和竖直y方向的周期为px＝ py＝150μm。条形光天线单元的方位角为θ。当一束左旋圆偏振波垂直入射到方位角为θ的条形光天线单元时，散射出的右旋圆偏振波的相位变化量为2θ。
本实施例中，超表面柱透镜的相位分布由下式确定：
Figure BDA0002689861850000045
其中，整数N取0，柱透镜的工作波长为λ＝400μm(即工作频率为0.75 THz)，预定焦距为f＝8mm。整个超表面柱透镜的长为10mm，宽为10mm，因此公式中x和y的取值范围分别为-5mm≤x≤5mm，-5mm≤y≤5mm。分别将x 和y进行离散化取值，间隔为光天线单元的周期150μm，得到xm和yn。将这些参数带入到上述公式中，可得到超表面柱透镜的相位分布
Figure BDA0002689861850000051
根据条形光天线方位角与调制相位变化量的关系，可得到超表面柱透镜中每个光天线单元的方位角分布为
Figure BDA0002689861850000052
利用matlab软件编程绘制出太赫兹超表面柱透镜的加工版图，基于所得到的加工版图可制备得到超表面柱透镜。
选择菲林胶片为柔性基底，利用喷墨打印技术，将银浆溶液按照设计版图喷涂在菲林胶片上，形成不同旋转角度的条形光天线单元。加工制备得到的超表面透镜部分区域的显微镜图像如图3所示。
为检测设计加工的超表面透镜的聚焦特性，利用偏振成像系统对本实施例中超表面透镜进行了测试，如图4所示。当一束左旋圆偏振的太赫兹波沿着z 轴垂直入射到超表面柱透镜样品之后，在距离透镜8mm处垂直于传播方向的平面上，可探测到0.75THz频率的右旋圆偏振波聚焦为一条直线，与设计值一致。
同样利用偏振成像系统，进行z扫描测试并得到电磁波沿着传播方向上聚焦的纵向场分布，如图5所示。可以看到波长为400μm的右旋圆偏振波在经过柔性超表面柱透镜之后，400μm的左旋圆偏振波的聚焦过程，在距离柱透镜样品8mm处聚焦。
综上，本发明提供的超表面透镜具有将电磁波聚焦，同时能够实现波束的圆偏振波电矢量旋转方向的功能。
本发明实施例提供的超表面透镜，一方面，由于柔性基底相较于硅、石英、蓝宝石等硬质基底厚度小，因此能够减小超表面透镜的整体厚度；又一方面，由于所采用的基底为柔性基底，因此所制备出的超表面透镜可弯曲、折叠；再一方面，采用喷墨打印技术与紫外光刻加工技术相比，具有一次成型、加工时间短等优势，能够大大降低成本。
超表面透镜在可穿戴设备以及集成化光学系统等领域具有广阔的应用前景。
需要说明的是，以上说明仅是本发明的优选实施方式，应当理解，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明技术构思的前提下还可以做出若干改变和改进，这些都包括在本发明的保护范围内。
本说明中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种超表面透镜，其特征在于，包括：柔性基底和光天线阵列；
所述光天线阵列设置于所述柔性基底上；
所述光天线阵列由多个按照透镜相位分布的光天线单元组成，各所述光天线单元散射的电磁波的振幅相同、相位变化范围在0到2π之间；
所述超表面透镜工作在太赫兹频段；
所述光天线阵列通过喷墨打印工艺制备在所述柔性基底上；
所述柔性基底的材质包括：聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、芳酰胺纤维纸、聚氯乙烯、菲林胶片、聚二甲基硅氧烷以及聚对苯二甲酸乙二醇脂中的至少一种；
所述光天线单元材料为导电率大于1×105S/m的金属浆料；所述光天线单元材料为介质浆料；
所述光天线单元的结构为以下任意之一：条形、C形、V形、H形、十字形、圆柱形或矩形砖块；所述光天线阵列中的各所述光天线单元尺寸相同、方位角不同；
当所述光天线单元为金属浆料的条形光天线单元时，所述光天线单元的入射波为左旋或右旋圆偏振波，出射的圆偏振波的电矢量的旋转方向与入射的圆偏振波的电矢量的旋转方向相反；
当所述光天线单元的结构为C形、V形、H形或十字形中任意之一、且所述光天线单元的材质为金属浆料时，所述光天线单元的入射波为线偏振波，出射的线偏振波的偏振方向与入射波的偏振方向垂直；
当所述光天线单元为介质浆料的圆柱形、矩形砖块结构的光天线单元时，所述光天线单元的出射波的偏振态与入射波的偏振态一致。
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