CN113031139B - 一种3d打印的透射式大角度偏折双层均匀光栅 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种3D打印的实现高效率透射式大角度偏折的双层均匀光栅，属于新型人工电磁材料和太赫兹科学技术领域。本发明的结构包括三层，下层为均匀介质光栅（1），中间为介质间隔层（2），上层为与下层同周期但不同占空比的均匀介质光栅（3）。每个周期内上下层均仅包含一个栅条结构，且上下栅条的一侧保持平齐，构成不对称的双层光栅。通过适当选取光栅的周期及内部栅条尺寸，可将垂直入射的亚太赫兹波高效率地透射并偏折到接近光栅表面的大角度方向。本发明易设计、易加工，可利用3D打印技术快速成型，成本低，为极端亚太赫兹功能器件的发展提供了新方案。

Description

一种3D打印的透射式大角度偏折双层均匀光栅
技术领域
本发明涉及一种3D打印的透射式大角度偏折双层均匀光栅，属于新型人工电磁材料和太赫兹科学技术领域。
背景技术
对波束方向的控制是各种光学系统的基本功能之一。大角度的波束偏折是实现大数值孔径透镜、提高光谱分辨率等应用的物理基础，传统元件中波束的偏折方向由斯涅尔定律决定，而由亚波长结构单元构成的超表面作为一种可设计的边界阻抗，对波束方向的任意控制提供了新的思路，进而发展出了基于超表面的广义斯涅尔定律。如何设计亚波长单元的形状和尺寸以满足所需的阻抗是能否实现相关功能的关键。
研究表明，实现完美波束偏折对应的阻抗需要在超表面不同位置引入增益和损耗，且随着偏折角度的增大，阻抗随空间位置的变化逐渐剧烈。因此Epstein等人提出借助疏逝波和泄漏波控制近场能量的局域增强与损耗，且采用密集的结构单元排布来捕捉剧烈的阻抗变化，最终实现近乎完美的大角度波束偏折【Phys. Rev. Lett. 117, 256103(2016)】。该思路设计复杂，对加工精度要求高，实验报道仅局限于微波波段。
由Alu等人提出的超光栅概念从控制能量在各衍射级的分布这一角度为大角度波束偏折提供了新思路【Phys. Rev. Lett. 119, 067404 (2017)】。超光栅的一个周期可以由很稀疏的结构单元构成，比如仅采用两个金属单元构成的反射式光栅可以在24GHz将波束偏折至-1衍射级对应的72.5°，效率大于90%【Phys. Rev. X 8, 011036 (2018)】。透射式光栅需要在波束偏折的同时避免反射，实验报道的偏折效率稍低。采用Si等高折率材料构成周期性不对称二聚体，在可见光波段实现了80°偏折，效率为40%【Nano Lett. 18, 2124-2132 (2018)】，在近红外波段实现了效率为75%的75°偏折等【Nano Lett. 17, 3752-3757(2017)】。然而在无线通信和安检成像等应用高度关注的亚太赫兹频段，硅基光栅的微加工工艺无法实现所需的厚度，高效率的透射式大角度偏折光栅未见报道。
发明内容
发明目的：本发明提出一种可3D打印的高效率透射式大角度偏折器，由两层均匀介质光栅构成，工作于亚太赫兹频段。
为实现上述目的，本发明的结构沿着光的传播方向包括三层，下层为均匀介质光栅（1），中间为介质间隔层（2），上层为与下层同周期但不同占空比的均匀介质光栅（3）。
进一步的，本发明中所用材料的选择需要在工作频段吸收系数小，例如聚乳酸、高密度聚乙烯、聚苯乙烯等在0.14THz附近吸收系数很小。
进一步的，本发明中所用的聚合物材料在亚太赫兹频段的折射率为1.5-1.6左右。
进一步的，本发明中双光栅和介质间隔层均为同一种聚合物材料，通过3D打印一次成型。
进一步的，上下层光栅的周期相同。
进一步的，上下层的每个周期内仅包含一个栅条结构。
进一步的，每个周期内上下层的栅条保持一边对齐，例如右边对齐，左边不对齐。
该结构的基本功能是将入射的亚太赫兹波束高效率地透射并偏折到接近光栅表面的大角度方向。
为实现该功能，双层光栅的具体设计步骤如下：
(1)根据工作波长λ、入射角度 θi和偏折角度θt，确定光栅的周期为Λ=λ/|sin(θt)-sin(θi)|，此时波束偏折的角度θt对应光栅的+1阶衍射。
(2)每个周期内，上下层光栅均仅包含一个栅条，其结构沿着y方向均匀分布。
(3)确定入射光的偏振态为线偏振光，TM偏振电场垂直于光栅的方向，TE偏振电场平行于光栅的方向。
(4)在固定上下两个栅条的一边对齐的情况下，系统优化两个栅条的宽度W1、W2、高度t1、t2以及介质间隔层的厚度tsub共5个参数，使光栅透射端+1衍射级的效率最高。
(5)由于设计参数少，最优参数的选择既可以采用多维度扫描的方法进行筛选，也可以采用梯度下降、遗传算法等优化函数得到。
(6)参数的选取需要兼顾3D打印机可打印的最小尺寸，且选取能满足要求的最小厚度。
本发明的有益效果：上下层光栅的每个周期内仅包含一个栅条，结构稀疏，尺寸大，易于加工，3D打印成型速度快，成本低，结构轻薄；结构参数少，设计简单；对低频太赫兹波70°和80°透视式偏折的效率分别高达85%和70%以上，且具有大的工作带宽；为太赫兹极端功能元件的发展提供了简化但高效的方案，为进一步实现透射式太赫兹大数值孔径透镜等奠定了切实可行的研究基础。
附图说明
图1是本发明实施例涉及的实现透射式大角度偏折的双层均匀光栅的结构和功能示意图；
图2是本发明实施例涉及的实现透射式大角度偏折的双层均匀光栅的周期结构图以及优化参数示意图；
图3是本发明实施例在TM偏振平面波垂直入射的情况下实现70o和80o透射式偏折时能量在各衍射级的分布图；
图4是本发明实施例在实现70°和80°偏折时的近场分布图；
图5是本发明实施例实现70°偏折的3D打印样品实物图；
图6是本发明实施例在尺寸有限的高斯光束照射下仿真和实验测试的能量分布图；
图中有：下层均匀介质光栅1，介质间隔层2，上层均匀介质光栅3。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
可3D打印的高效率透射式大角度偏折器，共包括三层结构，在图1所示的具体实施例中，下层为均匀介质光栅（1），中间为介质间隔层（2），上层为与下层同周期但不同占空比的均匀介质光栅（3）。
本实施例中光栅材料采用聚乳酸，在0.14 THz附近折射率为1.57+0.0003i，损耗极小。
在目标频率0.14THz, 为将垂直入射的TM偏振波束透射并偏折到70°和80°，对应的光栅周期根据Λ=λ/|sin(θt) -sin(θi)|分别为 2.28mm和2.18mm。
通过扫描参数的方法寻找最优的光栅参数，最终确定70o偏折的双层光栅单元如图2所示，下层光栅宽度为W1=1.14 mm，高度为t1=2 mm, 上层光栅宽度为W2=1.76 mm，高度为t2=3.1 mm，间隔层厚度为tsub=2.1 mm，且上下两个栅条的右侧边缘保持对齐。
80o偏折的双层光栅结构参数为：下层光栅宽度为W1=1.21 mm，高度为t1=2 mm,上层光栅宽度为W2=1.81 mm，高度为t2=3.1 mm，间隔层厚度为tsub=2.1 mm，同样保持上下两个栅条的右侧边缘对齐。
图3为以上两个大角度偏折器在透射端三个衍射级[-1，0，+1]和反射端三个衍射级的能量分布，可以看出，70°和80°偏折的效率分别为88%和71%。
图4为70°偏折的透射磁场Hy在x-z面的变化，其波前指向对应的偏折角度，且波前的均匀性好，也印证了大角度偏折的高效率特性。
图5为利用3D打印技术制作的70°偏折的双层均匀光栅样品的侧面图。
由于实际亚太赫兹光源的光斑尺寸有限，本实施例中高斯光束的光斑半径为25mm，这将降低波束的方向性，在距离光栅30mm的圆形轨道内，理论和实验测试的波束能量的角分布曲线为图6所示的实线和带点实线所示，二者吻合较好，验证了3D打印的双层均匀光栅在实现透视式大角度偏折的可行性和高效性。
本发明不同于传统超表面采用尽可能密集的梯度单元排布以及尽可能高折射率的材料来实现波束偏折的思路，创新性采用双层均匀光栅的不对称性来实现透视式高效率的大角度波束偏折，将每个周期内的栅条个数降低至一个，结构简单，参数少，易设计，易通过3D打印技术加工实现，偏折效率高，且光栅材料为低折射率聚合物，相比传统的高折射介质和金属材料，大大拓宽了材料的选择范围，该发明可进一步用于实现透射式大数值孔径透镜，弥补在亚太赫兹波段相关器件的市场空白，具有较好的应用前景。

Claims (4)

1.一种3D打印的透射式大角度偏折双层均匀光栅，其特征在于，该光栅包括三层，下层为均匀介质光栅(1)，中间为介质间隔层(2)，上层为与下层同周期但不同占空比的均匀介质光栅(3)；上下层的每个周期内仅包含一个栅条结构；
每个周期内上下层的栅条保持一边对齐，包括右边对齐，左边不对齐；
该光栅可采用聚合物对其进行3D打印，所述聚合物采用聚乳酸、高密度聚乙烯、聚苯乙烯中的一种，且在亚太赫兹工作频段折射率为1.5-1.6；
光栅周期由表达式Λ＝λ/|sin(θt)-sin(θi)|确定，其中Λ为光栅周期，λ为工作波长，θi为入射角度，θt为透射角度，此时透射偏折角度对应该周期性光栅的第1衍射级方向。
2.如权利要求1所述的一种3D打印的透射式大角度偏折双层均匀光栅，其特征在于，光栅周期内，通过参数扫描，对上下两条栅脊的宽度、厚度以及间隔层厚度5个参数进行优化，使得第1衍射级的效率最高。
3.如权利要求2所述一种3D打印的透射式大角度偏折双层均匀光栅，其特征在于，参数优化过程中，栅脊宽度和厚度的选择需大于3D打印机所能加工的最小尺寸，且在满足性能需求的情况下选取尽可能小的厚度。
4.如权利要求1所述的一种3D打印的透射式大角度偏折双层均匀光栅，其特征在于，优化设计的双层均匀光栅结构通过3D打印一次快速成型。
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