CN211786468U

CN211786468U - 一种焦距可调的太赫兹超构透镜

Info

Publication number: CN211786468U
Application number: CN202020668681.XU
Authority: CN
Inventors: 沈志雄; 周胜航; 葛士军; 陈烨
Original assignee: Nanjing Nanhui Intelligent Optical Sensing Research Institute Co ltd
Current assignee: Nanjing Nanhui Intelligent Optical Sensing Research Institute Co ltd
Priority date: 2020-04-27
Filing date: 2020-04-27
Publication date: 2020-10-27
Anticipated expiration: 2030-04-27

Abstract

本实用新型公开了一种焦距可调的太赫兹超构透镜，包括相对设置的基板和介质层、第一电极层、第二电极层、第一取向层、第二取向层以及液晶层，介质层远离基板的一侧设有介质超构表面层，液晶层设置于第一取向层和第二取向层之间；第一取向层和所述第二取向层具有相同的取向方向，均为在平面内的均一取向，与横轴或纵轴方向成45°；液晶层的取向方向被上述取向层诱导，与上述取向层取向方向相同。本实用新型通过偏振复用超构透镜和电调液晶波片的集成可以实现透镜焦距的动态切换，该功能的动态切换实现多功能的可调太赫兹超构透镜，解决了现有技术中太赫兹器件功能和应用单一的技术问题。

Description

一种焦距可调的太赫兹超构透镜

技术领域

本实用新型涉及一种光学透镜，特别是涉及一种焦距可调的太赫兹超构透镜。

背景技术

目前，第五代(5G)无线网络已经在世界各地逐步推广，有必要加快下一代(6G)通信的基础研究。6G系统对信道容量的要求远超现今的需求，所以比射频频段更高载波频率的太赫兹(THz)频段具有极大的应用前景。太赫兹波段是电磁波谱中最后一个未被充分探索的波段，即所谓的“太赫兹间隙”，许多太赫兹器件还远未成熟。

透镜是通信系统中光束耦合、聚焦和准直的重要组件。传统的太赫兹透镜通常体积较大，如单凸球面透镜。与传统的相位累积方法不同，超构透镜(metalens)能够通过设计亚波长的金属或介质谐振单元来引入突变相位用于波前操控。迄今报道的超构透镜已实现自旋选择聚焦、宽带消色差聚焦、超分辨率聚焦等多种功能。与金属超构表面相比，介质超构表面具有更高的调制效率和与CMOS兼容的制造性能，使其具有更广阔的应用前景。普通超构透镜的功能是静态的，不能满足各种实际应用的要求。近年来，将超构表面与半导体、石墨烯、相变材料、超导体等功能材料相结合，实现超构表面的主动调谐已经成为研究的一大热点。然而，大多数的可调超构表面的结构单元都是均一的，使得它们的功能局限于光谱调谐，而不是动态的波前控制；进一步开发可调谐波前调控器件，例如可调透镜、动态光束偏折器等，具有重要的现实意义。

实用新型内容

实用新型目的：本实用新型的目的是提供一种焦距可调的太赫兹超构透镜，该透镜可以实现在加电条件下不同焦距的动态调谐，以解决现有技术中太赫兹透镜功能和应用单一的技术问题。

技术方案：本实用新型的焦距可调的太赫兹超构透镜，包括基板、介质层和液晶层，基板和介质层相对设置，介质层远离基板的一侧设有介质超构表面层，介质层朝向基板的一侧依次设有第一电极层、第一取向层，基板朝向介质层的一侧依次设有第二电极层、第二取向层，液晶层设置于第一取向层和第二取向层之间；

所述介质超构表面层包括各向异性介质柱结构，介质柱呈环状阵列分布，介质柱具有横轴长度和纵轴长度，沿角方向位于同一半径环中的不同介质柱的横轴长度和纵轴长度相同，位于不同半径环中的介质柱的横轴长度和纵轴长度不同；

所述第一取向层和第二取向层具备相同的取向方向，取向方向均为在平面内均一取向，并与横轴或纵轴方向成45°分布以诱导液晶分子进行取向；

所述液晶层设置于第一取向层和第二取向层之间，液晶层中液晶分子的取向方向为在平面内的均一取向，且与横轴或纵轴方向成45°。

介质柱的长宽参数根据不同位置所需的透镜相位来确定，而不同位置介质柱的高度和周期不变。

当入射太赫兹波透过介质柱时，每一个介质柱产生的共振相位

满足如下透镜相位公式要求：

式中，x为横轴方向所在位置坐标，y为纵轴方向所在位置坐标，f_i为入射x偏振太赫兹波时的透镜焦距，f_j为入射y偏振太赫兹波时的透镜焦距，λ为太赫兹波的波长；f_i，j表示f_i或f_j，即各个介质柱同时满足x偏振相位和y偏振相位。

其中，基板的材质为在太赫兹波段和紫外波段具有高透过率的材料，前者是为了增强对太赫兹波的调制效率，后者是为了紫外光照取向能照射到基板内侧的取向层上；优选地，基板的材料包括石英、聚酰亚胺等。介质层使用的材料为太赫兹波段具有高折射率、高透过率的材料，优选为高阻硅。其中，高阻硅的电阻率是5000～8000Ω·cm。

超构表面是由人工制备的亚波长基本结构单元周期排列而成，能够对入射电磁波的相位、振幅、偏振进行调控。本实用新型中的介质超构表面层的结构单元是各向异性的柱状物，如椭圆形介质柱体、长方形介质柱等；并可通过前期的模拟设计，确定超构表面结构单元中不同位置的介质柱的长宽高参数以及结构单元的周期参数。取向层可采用光控取向层或摩擦取向层。

优选地，介质层上的介质超构表面的结构单元为长方形的介质柱，当介质柱长和宽参数不同时，介质柱对电场矢量沿着长方向(x线偏振)和电场矢量沿着宽方向(y线偏振)的入射太赫兹波具有不同的有效折射率，导致x和y偏振出射的谐振相位不同，因此该超构表面具有偏振依赖特性。根据目标的太赫兹频率可以优化超构表面的结构参数从而优化调控效率，在1THz下，该介质柱阵列优选的参数为：长20～120μm，宽20～120μm，高150～250μm，周期100～200μm；利用这种偏振依赖超构表面的设计原理可以设计和制备在x偏振和y偏振下聚焦焦距不同的透镜。

其中，第一电极层和第二电极层的材料为太赫兹波段具有高透过率和高电导率的材料；第一电极层和第二电极层的材料为少层石墨烯、PEDOT、ITO纳米晶须等，优选为少层石墨烯。第一取向层和第二取向层均为光控取向层，光控取向层的控制图形可擦写，光控取向层的材料为偶氮染料。

优选地，所述液晶层的液晶材料为双折射率材料，具备第一折射率和第二折射率；在入射至所述太赫兹超构透镜的入射光的频率范围在0.5～2.5THz时，所述第一折射率和第二折射率之间的差值(双折射率Δn)0.2≤Δn≤0.4；所述液晶层的取向为与x轴方向成45°。双折射越大越好，因为满足1THz半波条件需要有足够大的液晶层厚度，双折射越大所需要的的厚度就越小，加电的阈值电压和响应速度就越快。

进一步地，该太赫兹超构透镜还包括位于基板和介质层之间的间隔粒子，所述间隔粒子用于支撑基板和介质层以形成液晶层的填充空间；优选地，入射光频率范围为0.5～2.5THz时，液晶层的厚度为300～500μm；在满足1THz半波条件下，液晶层厚度根据1THz的半波条件优选，达到该条件时，在1THz入射x方向线偏振光才能完全转化为y偏振。

本实用新型中焦距可调的太赫兹超构透镜的制备方法，包括如下步骤：

提供基板和一侧面设有超构表面层的介质层；

在介质层未设置超构表面层的一侧表面依次制备第一电极层和第一光控取向层；

在基板的一侧表面依次制备第二电极层和第二光控取向层；

在基板的第二光控取向层一侧设置间隔粒子，后将介质层与基板封装，使得基板和介质层相对设置，超构表面位于远离基板的一侧，第一光控取向层朝向基板，第二光控取向层朝向介质层；

对光控取向层进行紫外偏振曝光，以形成具有分子指向矢与横轴方向或纵轴方向成45°的控制图形；曝光处理是对第一光控取向层和第二光控取向层均进行曝光。

在基板和介质层之间灌注液晶材料，控制图形控制液晶分子指向矢与横轴方向或纵轴方向成45°。

其中，介质超构表面层的制备步骤包括：对高阻硅片进行清洗，然后利用光刻工艺将掩膜版上的图形转移到硅片上，再利用等离子体刻蚀刻掉裸露的硅，直到刻蚀到目标深度停止刻蚀，最后洗去残余光刻胶。

其中，在基板和介质层上制备光控取向层还包括制备前对基板和介质层表面的预处理，预处理步骤包括：将基板和介质层(如硅片)用洗液超声清洗10～30分钟，再用超纯水超声清洗两次，每次各8～10分钟，然后在100℃～120℃烘箱中烘干40～60分钟，最后进行紫外光臭氧清洗30～45分钟。

本实用新型的太赫兹超构透镜的透镜焦距与所加电压以及入射的线偏振方向相关，因此能应用到THz偏振成像中，例如对发射不同偏振态THz波的两个物体可以用该透镜来进行成像，可以通过景深判断出物体分别位于的位置。

太赫兹波指的是频率在0.1-10THz(相应的波长为30-3000μm)之间的电磁波。太赫兹波具有以下一些独特性质：1)较低的光子能量，适合对生物组织进行活体检查；2)很多生物分子和凝聚态物质的骨架振动和转动能级，以及分子间相互作用能级(氢键等)都处于太赫兹频带；3)许多非金属和非极性材料对太赫兹波的吸收较小，透过率高；4)与可见光和红外线相比，太赫兹波具有极高的方向性和较强云雾穿透能力，能够实现Gbit/s以上的无线传输速率。这些使太赫兹技术在安全检查、生物医学和高速无线通信等诸多领域具有广阔的应用前景。太赫兹透镜在这些领域中都有广泛的应用，他们通常由晶体和聚合物构成，体积大，且不具备可调谐性，限制了太赫兹系统的集成化。

超构材料是一种人工电磁介质，通过人为设计单元结构，能够实现自然材料所不具有的一些独特性能，如人造磁性、负指数材料、电磁隐身等。超构表面是超构材料的二维形式，设计和加工更加便捷。近年来，超构表面开始越来越多地用于太赫兹的调制领域。然而，超构表面一经制备，结构就固定了，功能也随之固定，无法进行动态调控，因此，寻求超构表面的可调谐性成为研究领域的一大热点。近年来，液晶材料因其宽波段的电控双折射特性被广泛用于可调太赫兹调制器的开发，例如相移器、波片、涡旋光产生器等。液晶的指向分布可以通过光取向技术进行任意的控制，因此十分适用于太赫兹波片的设计和制作。太赫兹波段的透明电极材料，例如石墨烯、PEDOT、ITO纳米晶须等也被开发出来，为液晶元件的电场调控提供了必要的条件。

液晶具有从可见光到微波的宽频双折射和优良的电光响应特性，被广泛应用于显示之外的各个光学领域，包括特种光束产生、可调谐滤波器和空间光调制器等。目前，限制液晶在太赫兹频段中应用的两个主要障碍已经解决，即：透明太赫兹电极材料和极厚液晶层(达数百微米)的光取向技术，因此太赫兹液晶器件得到了极大的发展。均匀取向的液晶可以作为太赫兹移相器和波片。通过将几何相位编码到液晶指向矢分布中，可以得到更多功能，如涡旋光产生器、分束器等。这些器件可以利用电场进行动态调控。如果将上述太赫兹液晶元件与超构表面集成，则能够实现焦距可调谐的太赫兹超构透镜，将极大地促进太赫兹光谱和成像系统的实际应用发展。

实用新型原理：本实用新型原理上可以分为两部分，第一部分为偏振依赖的介质超构表面实现在x偏振和y偏振入射下不同的透镜焦距，第二部分为液晶太赫兹波片在加电条件下实现入射x偏振和y偏振的动态切换，把两者相集成就能实现所述功能。通过偏振复用超构透镜和电调液晶波片的集成可以实现透镜焦距的动态切换。本实用新型通过设计超构表面的结构参数产生所需要的偏振依赖的共振相位，实现在x方向和y方向入射线偏振太赫兹波下不同的聚焦焦距，同时叠加上电控液晶半波片实现偏振正交转换，实现在不加电和加上饱和电压下不同焦距的改变。这种功能的动态切换保证实现多功能的可调太赫兹超构透镜，解决现有技术中可调太赫兹功能器件功能和应用单一的技术问题。

有益效果：与现有技术相比，

(1)本实用新型解决了单层超表面波前调制功能单一、无法调谐的缺点，同时具有较高的调制效率；

(2)本实用新型的焦距可调太赫兹透镜及其制备方法，通过将一层均匀取向的液晶波片和一层基于共振相位的介质超构表面进行集成，可以实现焦距可调的太赫兹超构透镜。当不加电压时，液晶波片把入射x方向线偏振太赫兹波转化为y方向线偏振，再经过超构表面透镜后聚焦到一个焦距处；当在液晶层上下基板上的石墨烯电极加上饱和电压后，液晶分子取向完全垂直于基板排列，导致波片调制消失，从波片出射仍然为x方向线偏振太赫兹波，由于超构表面的偏振依赖性，此时超构透镜的聚焦焦距发生变化。这两种功能的动态切换保证实现多功能的可调太赫兹超构透镜，解决现有技术中可调太赫兹功能器件功能和应用单一的技术问题。

(3)本实用新型的太赫兹超构透镜具有小型化、易集成、轻薄化的特点，根据适用场景的不同可以动态切换不同的焦距，在太赫兹通信、成像以及传感等方面有着极大的应用潜力。

附图说明

图1是本实用新型的焦距可调太赫兹透镜的横截面结构示意图；

图2是本实用新型的介质超构表面的结构单元的示意图；其中，图中l表示长，w表示宽，h表示高，T表示周期；横轴方向为x轴方向，纵轴方向为y轴方向；

图3是本实用新型实施例提供的一种介质超构表面的结构单元(长80μm，宽60μm，高200μm，周期150μm)在x线偏振和y线偏振入射下谐振相位随频率的变化图以及各自的硅柱内归一化磁场强度分布截面图；

图4是本实用新型实施例提供的一种介质超构表面的结构单元的出射太赫兹相位随着长和宽参数变化的分布图，频率为1THz，入射偏振为x方向线偏振；

图5是本实用新型实施例提供的一种介质超构表面的结构单元的出射太赫兹透过率随着长和宽参数变化的分布图，频率为1THz，入射偏振为x方向线偏振；

图6是本实用新型实施例中提供的一种介质超构表面在x方向线偏振入射下的设计透镜相位模板图，焦距为12.0mm；

图7是本实用新型实施例中提供的一种介质超构表面在y方向线偏振入射下的设计透镜相位模板图，焦距为16.0mm；

图8是本实用新型实施例中提供的一种介质超构表面的整体显微照片；

图9是本实用新型实施例中提供的一种介质超构表面局部区域在扫描电子显微镜下的照片；

图10是本实用新型实施例提供的一种介质超构表面在1THz处的聚焦效果模拟图，左右分别为x线偏振和y线偏振入射的太赫兹远场强度分布图；

图11是本实用新型实施例提供的一种电调液晶波片在不加电情况下的相位延迟量随频率的变化图；

图12是本实用新型实施例提供的一种电调液晶波片在入射x线偏振太赫兹波情况下的出射y线偏振的转化效率图，黑线和红线分别代表在波片上未加电压和加上饱和电压下的情况；

图13是本实用新型实施例提供的一种焦距可调的超构透镜在1THz处的聚焦效果实验测量图，入射偏振为x线偏振，左右分别为在波片上未加电压和加上饱和电压下的太赫兹远场强度分布图；

图14是本实用新型实施例提供的一种焦距可调太赫兹透镜的制备方法中各步骤的示意图；

图15是本实用新型实施例提供的一种焦距可调太赫兹透镜的制备方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型进一步地详细描述。

本实施例的焦距可调的太赫兹超构透镜集成了液晶和超构表面，该透镜的横截面如图1所示，其包括相对设置的基板6和介质层1、第一电极层2、第二电极层5、第一取向层3、第二取向层4以及液晶层7；其中，介质层1远离基板6的一侧设有介质超构表面层8，即图1中所示的介质层1的上表面；介质层1朝向基板6的一侧依次设有第一电极层2、第一取向层3，基板6位于介质层1的下方位置，基板6朝向介质层1的一侧依次设有第二电极层5、第二取向层4，液晶层7设置于第一取向层3和第二取向层4之间。液晶层7包括液晶分子9和位于液晶分子9两端的间隔粒子10，如图1中所示的液晶分子左右两边的圆形结构即为间隔粒子，以形成固定厚度的液晶盒。

本实施例中，介质层1的材料选用高阻硅片，基板6的材质为石英，电极层均选用石墨烯材料，取向层均采用偶氮染料材料。

介质超构表面层8的结构单元为长方形的硅柱，可通过前期的模拟设计确定超构表面结构单元中不同位置的硅柱的长宽高参数以及结构单元的周期参数；在实施例中，结构单元的周期设为150μm，硅柱的高度设为200μm，硅柱的长宽参数根据不同位置所需的共振相位来确定。

本实施例的太赫兹超构透镜原理上可以分为两部分，第一部分为偏振依赖的介质超构表面实现在x偏振和y偏振入射下不同的透镜焦距；第二部分为液晶太赫兹波片在加电条件下实现入射x偏振和y偏振的动态切换，把两者相集成就能实现所述功能。

首先分析第一部分：图2是介质超构表面的结构单元的示意图，图2中l表示长，w表示宽，h表示高，T表示周期；本实施例的介质超构表面的结构单元为长方形硅柱体，长20～120μm，宽20～120μm，高200μm，周期为150μm。当太赫兹波沿垂直于介质超构表面方向入射时，每根介质柱都可以看作是一个介质波导。透射波的相位可以由以下公式给出：

其中，λ为波长，n_eff和h分别是波导模式的有效折射率和传播距离(介质柱的高度)。在此模型的基础上，透射相位随频率(c/λ)线性增加。由于长方柱长宽参数的不对称性，x线偏振和y线偏振入射下n_eff略有不同，这使得偏振复用的波前相位调控成为可能。

使用商业软件Lumerical FDTD模拟了一种特定结构参数的结构单元(长80μm，宽60μm，高200μm，周期150μm)的波导模式响应，如图3所示。可以看到，在x线偏振和y线偏振入射下谐振相位随频率近似为线性变化，并且由于长宽参数的不同，在1THz处存在一定的相位差。图中还展示了在x线偏振和y线偏振入射下硅柱内归一化磁场强度分布截面图，揭示了柱内不同的谐振模式。为了实现在1THz处任意偏振相关的太赫兹波前相位调控，我们固定介质柱高度为200μm和周期为150μm，改变长宽参数分别从20-120μm，模拟得到在入射x线偏振的条件下出射太赫兹波归一化相位分布，如图4所示，这个结构参数的范围完全覆盖了0-2π的相位。入射y线偏振下的出射太赫兹波归一化相位分布可以通过把图4沿着长＝宽的对角线进行对称操作来获得。有了x线偏振和y线偏振下的不同长宽参数的出射相位分布图，就可以独立设计x线偏振和y线偏振下的相位模板，通过在相位分布图中寻找特定位置的长宽参数使它的相位与相位模板的每个位置需要的相位差最小，就可以构筑出不同位置不同长宽参数的超构表面，实现偏振独立的相位调控效果。为了优化效率，我们还模拟了对应的出射太赫兹透过率分布图，如图5所示。在筛选结构参数的matlab代码中，我们令每个介质柱的透光率判据均大于0.7，这样可以实现高效率的太赫兹相位调控器件。

本实施例设计了在x线偏振和y线偏振下焦距分别为12.0mm和16.0mm的透镜相位模板。所需要的透镜相位如下公式所示：

其中，i和j分别代表x线偏振和y线偏振太赫兹入射，f为所设计的焦距。图6和图7分别为设计的12.0mm和16.0mm的透镜的归一化相位模板，0-2π的周期性相位变化沿着径向从中心向边缘逐渐变密，整个相位区域的大小为1cm×1cm。

根据以上设计，本实施例制备了介质超构透镜样品。样品照片如图8所示，可以看到整个结构阵列呈现环状分布；进一步地，用扫描电子显微镜观察了样品局部的形貌，如图9所示，长方形的硅柱阵列清晰可见，不同区域的长宽参数根据设计各有不同，每个硅柱边缘呈现一定的圆角，跟设计的完美长方形有一定的误差，这在后续测量过程中不可避免地会带来测量误差。

对于该太赫兹超构透镜，可以利用FDTD电磁场仿真来模拟聚焦效果。因为透镜相位沿着每个直径方向都是对称分布的，所以只需要模拟一条直径上的结构，这样能够大大减少模拟时间。如图10所示是本实用新型实施例提供的一种介质超构表面在1THz处的聚焦效果模拟图，左右分别为x线偏振和y线偏振入射的太赫兹远场强度分布图，均有明显的聚焦效果。在x方向线偏振入射时，探测的是出射的x方向的太赫兹电场强度，聚焦焦距约为12.5mm，跟设计的12.0mm略有误差；在y方向线偏振入射时，探测的是出射的y方向的太赫兹电场强度，聚焦焦距约为15.7mm，跟设计的16.0mm略有误差。这种误差可能是由于不同位置的硅柱结构参数不同，相位调制效率不同(见图5)导致的。

接着分析第二部分：为了赋予制备的偏振复用超构表面电光可调特性，引入了电调液晶波片。为了能实现x偏振和y偏振在1THz处的完全转换，需要1THz的液晶半波片。液晶波片是由一层均一取向的液晶层以及上下基板上的太赫兹透明电极层构成。得益于高电导率和高太赫兹透过率，本实施例选用石墨烯作为透明电极材料。液晶层的取向方向与x方向成45°。当入射的x线偏振太赫兹波经过液晶波片时，太赫兹的e光和o光电场分量分别感受到液晶的两个折射率n_e和n_o。在这两分量之间会产生相位延迟

其中Δn表示液晶的双折射率(异常光折射率和寻常光折射率的差)，d是液晶层的厚度。当在1THz处

时满足半波条件，可以实现线偏振的正交转化，因此需要根据适用波长和液晶的双折射率设计合理的液晶层厚度。本实施例中，适用波长为1THz，液晶层的双折射率约为0.32，液晶层厚度d设置为450μm。

当在液晶层两边的电极上加电时，液晶的取向方向会逐渐向着加电方向偏转，e光和o光电场分量感受到的折射率差逐渐减小，对线偏振正交偏转的调制效果逐渐变弱。当电压很大达到饱和电压时，液晶层的指向方向完全沿着电场方向排列(垂直于基板方向)，完全失去波片调制效果，入射x线偏振太赫兹波无调制直接透过。

本实施例制备出上述液晶波片，并用太赫兹时域光谱系统(THz TDS)表征了该液晶波片的性能。图11是本实用新型实施例提供的一种电调液晶波片在不加电情况下的相位延迟量随频率的变化图，可以看到相位延迟量随频率逐渐线性增大，在1THz处大约为π，很好地符合设计要求。图12是本实用新型实施例提供的一种电调液晶波片在入射x线偏振太赫兹波情况下的出射y线偏振的转化效率图，黑线和红线分别代表在波片上未加电压和加上饱和电压下的情况。不加电时，在1THz处入射的x线偏振完全转化为y线偏振；而在施加了饱和电压(150V_rms1kHz方波交流电信号)时，1THz处偏振转化效率为0，说明出射的全部偏振分量都为入射x线偏振。

上述偏振复用超构透镜和电调液晶波片的集成可以实现透镜焦距的动态切换；并且可以利用基于光导天线产生和探测太赫兹波的方法表征这种液晶集成超构透镜的聚焦效果。图13是本实用新型实施例提供的一种焦距可调的超构透镜在1THz处的聚焦效果实验测量图，入射偏振为x线偏振，左右分别为在波片上未加电压和加上饱和电压下的太赫兹远场强度分布图，可以看到明显的焦距变化。在0V_rms和150V_rms下焦距分别为14.9mm和11.4mm，和设计的16.0mm和12.0mm有较大的误差。这主要是由于超构表面制备误差导致的(结构单元圆角误差，刻蚀深度误差)。

如图14所示为本实施例的太赫兹超构透镜的制备流程示意图，如图15为制备方法各步骤示意图；其制备方法包括如下步骤：

步骤120、提供基板和侧面设有介质超构表面层的介质层；

制备介质超构表面的工艺包括：对高阻硅片进行清洗，然后利用光刻工艺将掩膜版上的图形转移到硅片上，再利用等离子体刻蚀刻掉裸露的硅，直到刻蚀到目标深度停止刻蚀，最后用丙酮把残余光刻胶洗去。

步骤121、在基板和介质层相邻的一侧分别形成石墨烯电极层，分别为第一电极层和第二电极层；即在介质层未设置超构表面的一侧表面形成石墨烯电极层，在基板朝向介质层的一侧表面形成石墨烯电极层；

步骤122、在基板和介质层相邻一侧分别形成光控取向层，即在第一电极层上制备第一取向层，在第二电极层上制备第二取向层；

其中，在基板和介质层上制备光控取向膜前，还包括对基板和介质层进行预处理，该预处理工序包括：将基板和介质层用洗液超声清洗10～30分钟，再用超纯水超声清洗两次，每次各8～10分钟，然后在100℃～120℃烘箱中烘干40～60分钟，最后进行紫外光臭氧清洗30～45分钟。

步骤123、在基板的第二取向层上设置间隔粒子，并与介质层进行封装，使得基板和介质层相对设置，且超构表面位于远离基板的一侧，第一光控取向层朝向基板，第二光控取向层朝向介质层；

步骤124、对上述光控取向层进行紫外偏振曝光，以形成具有分子指向矢与x方向成45°的控制图形。

步骤125、在基板和介质层之间灌注上述液晶材料，控制图形控制所述液晶分子指向矢与x方向成45°均匀分布。其中，横轴方向为x轴方向，纵轴方向为y轴方向。

本实施例制备得到的透镜主要由一层介质超构表面和一层液晶层叠加而成。其中，介质超构表面由亚波长结构单元的长方形硅柱阵列组成，硅柱单元的长宽尺寸在不同的位置各有不同，对入射太赫兹波的相位调控具有偏振依赖性，使入射x方向和y方向的线偏振太赫兹波穿过超构表面后具有不同的聚焦焦距。液晶层中液晶分子指向矢在垂直于太赫兹波入射方向的面内均匀分布，并与入射x方向线偏振成45°，其可以作为特定太赫兹波长下的半波片实现入射线偏振的正交转换。当入射x线偏振时，经过液晶层转换为y线偏振，再经过介质超构表面进行聚焦；当在液晶层两边的电极上加电时，液晶指向矢垂直于基板排列，半波片调制效果消失，出射的偏振仍然是入射的x线偏振，经过超构表面聚焦到另一个位置，从而实现焦距的动态改变。

该太赫兹超构透镜的透镜焦距与所加电压以及入射的线偏振方向相关，应用于THz偏振成像中，对发射不同偏振态THz波的两个物体可以用该透镜来进行成像，可以通过景深判断出物体分别位于的位置。

Claims

1.一种焦距可调的太赫兹超构透镜，其特征在于：包括相对设置的基板和介质层，以及位于所述基板和介质层之间的液晶层；介质层远离基板的一侧设有介质超构表面层，介质层朝向基板的一侧依次设有第一电极层、第一取向层，基板朝向介质层的一侧依次设有第二电极层、第二取向层；

所述介质超构表面层包括各向异性介质柱结构，介质柱呈环状阵列分布，介质柱具有横轴长度和纵轴长度，位于同一半径环中介质柱的横轴和纵轴长度均相同，位于不同半径环中介质柱的横轴和纵轴长度不同；

所述第一取向层和第二取向层具备相同的取向方向，取向方向均为在平面内均一取向，并与横轴或纵轴方向成45°分布以诱导液晶分子进行取向；所述液晶层设置于第一取向层和第二取向层之间，液晶层中液晶分子的取向方向为在平面内的均一取向，且与横轴或纵轴方向成45°。

2.根据权利要求1所述的焦距可调的太赫兹超构透镜，其特征在于：所述基板的材质为石英或聚酰亚胺，介质层的材质为高阻硅。

3.根据权利要求1所述的焦距可调的太赫兹超构透镜，其特征在于：所述介质柱结构为长方形介质柱或椭圆形介质柱。

4.根据权利要求1所述的焦距可调的太赫兹超构透镜，其特征在于：所述介质柱结构为长方形介质柱，入射太赫兹波频率为1THz时，介质柱的长为20～120μm，宽为20～120μm，高为150～250μm，阵列周期为100～200μm。

5.根据权利要求1所述的焦距可调的太赫兹超构透镜，其特征在于：所述第一电极层和第二电极层的材质为少层石墨烯、PEDOT或ITO纳米晶须，第一取向层和第二取向层均为光控取向层。

6.根据权利要求1所述的焦距可调的太赫兹超构透镜，其特征在于：所述液晶层的液晶材料为双折射率材料，具有第一折射率和第二折射率；当入射至所述太赫兹超构透镜的入射光频率范围为0.5～2.5THz时，第一折射率和第二折射率之间的差值为Δn，0.2≤Δn≤0.4。

7.根据权利要求1所述的焦距可调的太赫兹超构透镜，其特征在于：还包括位于基板和介质层之间的间隔粒子，所述间隔粒子用于支撑基板和介质层以形成液晶层的填充空间。

8.根据权利要求1所述的焦距可调的太赫兹超构透镜，其特征在于：入射光频率范围为0.5～2.5THz时，液晶层的厚度为300～500μm。