CN114527568A - 一种用于发散太赫兹波聚焦的太赫兹单透镜及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于发散太赫兹波聚焦的太赫兹单透镜及其设计方法，单透镜表面形状为双凸面，可以对发散的太赫兹波进行聚焦，其作用相当于一组准直聚焦透镜。单透镜太赫兹波入射表面的曲面参数根据实际太赫兹波发散角优化，实现单透镜通光孔径的充分利用，有助于节省透镜材质成本和减小太赫兹波吸收损耗。此外单透镜两个凸面都进行了像差优化。发散的太赫兹波通过本发明的单透镜进行聚焦，可以获得质量好、位置准确的聚焦光斑。本发明的单透镜对单一频点或宽频带太赫兹波均适用，相比传统的聚焦准直透镜组，具有结构紧凑、稳定性高、对太赫兹波损耗小、成本低等优势。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹技术领域，具体地说是一种用于发散太赫兹波聚焦的太赫兹单透镜及其设计方法。
背景技术
太赫兹波是频率为0.1～10THz范围的电磁波，该波段在电磁波谱上处于微波和红外波段之间，同时也是宏观经典理论与微观量子理论的过渡区。因此，太赫兹波具有瞬态性、宽带性、相干性、低能性等独特性质。太赫兹波近年来在波谱和成像领域得到了广泛应用，并且已经被证明在前沿科学研究和工业应用中有着巨大潜力。
太赫兹波的波长是亚毫米尺度，其相比可见光波段，具有更强的衍射发散效应。因此，无论是电学太赫兹波源，还是光学太赫兹波源，太赫兹波产生后都是发散传播的。在太赫兹成像或波谱分析等应用中，我们需要对太赫兹波进行波束整形使其聚焦，通常都是由1个准直器件和1个聚焦器件组合实现。常用的太赫兹波整形器件包括抛物面反射镜、折射透镜和菲涅尔透镜。这三种器件各有特点。其中，抛物面反射镜的优点是反射镜面镀有金膜，对太赫兹波几乎没有损耗。缺点是改变太赫兹波传播方向，降低系统稳定性，通光孔径和焦距选择较为固定，定制化设计加工困难，金膜易污损等；折射透镜的优点是结构简单稳定性高、定制化设计加工方便、成本低，缺点是透镜厚度大可能导致太赫兹波吸收增强；菲涅尔透镜的优点是透镜厚度薄，对太赫兹波吸收小，缺点是透镜只适用于单一频点，加工复杂，不适用于宽频带太赫兹波。
此外，目前常用的商用太赫兹波整形器件普遍存在像差和焦移问题，而导致太赫兹波准直聚焦后焦平面光斑质量差，焦点位置偏差大等问题，严重影响太赫兹系统的工作效率，例如降低太赫兹成像系统的图像分辨率和对比度，或者降低太赫兹波谱测试系统的信噪比和动态范围等。
发明内容
针对现有技术及产品的不足，本发明提供一种用于发散太赫兹波聚焦的太赫兹单透镜，能够对发散的太赫兹波进行整形使其聚焦。本发明的单透镜可以实现并优于一组商用太赫兹波准直和聚焦器件。本发明适用于任何需要对发散太赫兹波进行聚焦的太赫兹系统。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
一种用于发散太赫兹波聚焦的太赫兹单透镜的设计方法，所述透镜为双面凸透镜，所述设计方法包括以下步骤：
S1：在三维坐标系原点设置太赫兹波发射源，在所述发射源沿着所述三维坐标系的z轴一侧设置焦点；
S2：在所述发射源与焦点之间，沿所述z轴依次设置第一曲面、第二曲面；所述发射源发出太赫兹波经过所述第一曲面折射后入射至所述透镜内，再经过第二曲面折射后形成出射太赫兹波，汇聚至所述焦点；
S3：将所述第一曲面、第二曲面的端缘封闭形成双面凸透镜；
S4：设计第一曲面、第二曲面的表面参数，对两个凸面进行像差优化。
所述单透镜的材料为聚合物或半导体材料。
所述步骤3中是采用非光学平面封闭所述第一曲面、第二曲面的端缘。
所述第一曲面、第二曲面的表面参数包括：通光孔经、顶点曲率半径。
所述单透镜的通光孔径依据入射太赫兹波发散角和所述前焦距设计；所述前焦距为太赫兹波发射源到所述第一曲面顶点的距离。
所述第一曲面的顶点曲率半径依据所述前焦距和所述材料的折射率设计。
所述第二曲面的顶点曲率半径依据所述后焦距和所述材料的折射率设计；所述后焦距为所述第二曲面顶点到太赫兹波焦点的距离。
所述对两个凸面进行像差优化，是采用非球面像差优化法对太赫兹波入射面和出射面均进行优化。
一种用于发散太赫兹波聚焦的太赫兹单透镜，是按照权利要求1-8任意一项所述的方法设计的准直聚焦透镜。
所述单透镜适用于任意单一频点或宽频带太赫兹波。
本发明与现有技术相比具有以下优点及有益效果：
1.本发明的单透镜可以对发散的太赫兹波进行聚焦，实现一组商用的聚焦和准直抛物面反射镜或透镜的功能，同时可以减少透镜材料厚度，减小太赫兹波吸收损耗。
2.本发明的单透镜适用于任意单一频点或宽频带的太赫兹波。
3.本发明的单透镜根据实际太赫兹波发散角优化入射表面系数，可充分利用自身的通光孔径，减小焦移效应影响，获得更好的太赫兹波聚焦效果。
5.本发明的单透镜对像差进行了非球面补偿，相比商用球面透镜，焦平面位置更加准确，聚焦光斑质量更好。
附图说明
图1是用于发散太赫兹波聚焦的太赫兹单透镜工作原理图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方法做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
实施例1：
在某个太赫兹波谱分析系统中，太赫兹波源产生频率范围为0.1-3THz，发散角为25°的宽频带太赫兹波。需要对其进行100mm距离的准直和50mm距离的聚焦，且要求整形器件对太赫兹波的损耗尽量小，系统结构简单稳定性高。
根据该实际应用的需求可知，可以使用本发明的太赫兹单透镜替代商用太赫兹准直聚焦抛物面镜组或透镜组。单透镜对应的前焦距和后焦距分别为100mm和50mm，材料为对太赫兹波吸收较小的聚合物或半导体等材料，例如聚4-甲基戊烯(TPX)。TPX材料在0.1-3THz波段吸收损耗较小，折射率为1.45，且色散特性稳定。
根据太赫兹波发散角和前焦距，可计算得到单透镜的通光孔径。入射面、出射面通光孔经相等。计算过程如下：
通光孔径＝2×前焦距×sin(发散角/2)＝43.3mm
根据前焦距和材料折射率，可计算得到单透镜太赫兹波入射面的顶点曲率半径。计算过程如下：
入射面顶点曲率半径＝前焦距×(材料折射率-1)＝45mm
根据后焦距和材料折射率，可计算得到单透镜太赫兹波出射面的顶点曲率半径。计算过程如下：
出射面顶点曲率半径＝后焦距×(材料折射率-1)＝45mm
非球面像差优化:
利用光学设计软件，如Zemax、Code V等，对太赫兹波入射面和出射面进行非球面像差优化，优化后的透镜表面满足如下公式：
k＝-2.1025，
其中，R为透镜表面顶点曲率半径；z为透镜坐标系下的横坐标，y为透镜坐标系下的纵坐标，透镜坐标系以透镜中心为原点，以水平方向为横轴，以垂直方向为纵轴；k为二次曲面系数；Z为透镜表面顶点相对坐标原点的距离。
具体过程包括：
1)入射面优化过程：将计算的入射面顶点曲率半径带入公式(1)中，调整入射面顶点的表面构型坐标(y，z)，以及出射面表面顶点相对坐标原点的距离，依次得到各个调整参数的对应计算结果：二次曲面系数k；
2)出射面优化过程：以同样的入射面二次曲面系数-2.1025，出射面顶点曲率半径为已知条件带入公式(1)中，获取出射面顶点的表面构型坐标(y，z)，以及出射面表面顶点相对坐标原点的距离。
完成两个凸面的非球面像差优化。
根据加工需要，设计最小的单透镜边缘厚度，例如3mm，以减少材料对太赫兹波的吸收损耗。此时对应单透镜中心厚度为20.9mm。
至此满足需求的太赫兹单透镜设计完成。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (10)
1.一种用于发散太赫兹波聚焦的太赫兹单透镜的设计方法，所述透镜为双面凸透镜，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤：
S1：在三维坐标系原点设置太赫兹波发射源，在所述发射源沿着所述三维坐标系的z轴一侧设置焦点；
S2：在所述发射源与焦点之间，沿所述z轴依次设置第一曲面、第二曲面；所述发射源发出太赫兹波经过所述第一曲面折射后入射至所述透镜内，再经过第二曲面折射后形成出射太赫兹波，汇聚至所述焦点；
S3：将所述第一曲面、第二曲面的端缘封闭形成双面凸透镜；
S4：设计第一曲面、第二曲面的表面参数，对两个凸面进行像差优化。
2.根据权利要求1所述的一种用于发散太赫兹波聚焦的太赫兹单透镜的设计方法，其特征在于，所述单透镜的材料为聚合物或半导体材料。
3.根据权利要求1所述的一种用于发散太赫兹波聚焦的太赫兹单透镜的设计方法，其特征在于，所述步骤3中是采用非光学平面封闭所述第一曲面、第二曲面的端缘。
4.根据权利要求1所述的一种用于发散太赫兹波聚焦的太赫兹单透镜的设计方法，其特征在于，所述第一曲面、第二曲面的表面参数包括：通光孔经、顶点曲率半径。
5.根据权利要求4所述的一种用于发散太赫兹波聚焦的太赫兹单透镜的设计方法，其特征在于，所述单透镜的通光孔径依据入射太赫兹波发散角和所述前焦距设计；所述前焦距为太赫兹波发射源到所述第一曲面顶点的距离。
6.根据权利要求4所述的一种用于发散太赫兹波聚焦的太赫兹单透镜，其特征在于，所述第一曲面的顶点曲率半径依据所述前焦距和所述材料的折射率设计。
7.根据权利要求4所述的一种用于发散太赫兹波聚焦的太赫兹单透镜，其特征在于，所述第二曲面的顶点曲率半径依据所述后焦距和所述材料的折射率设计；所述后焦距为所述第二曲面顶点到太赫兹波焦点的距离。
8.根据权利要求1所述的一种用于发散太赫兹波聚焦的太赫兹单透镜的设计方法，其特征在于，所述对两个凸面进行像差优化，是采用非球面像差优化法对太赫兹波入射面和出射面均进行优化。
9.一种用于发散太赫兹波聚焦的太赫兹单透镜，其特征在于，是按照权利要求1-8任意一项所述的方法设计的准直聚焦透镜。
10.根据权利要求9所述的一种用于发散太赫兹波聚焦的太赫兹单透镜，其特征在于，所述单透镜适用于任意单一频点或宽频带太赫兹波。
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