一种将非偏振波直接转换成圆偏振波的太赫兹超构透镜制造技术

本发明专利技术提出了一种将非偏振波直接转换成圆偏振波的太赫兹超构透镜，设计两个不同超构原子以组成一个超构分子作为基本单元；将超构分子旋转不同角度，以获得构成一个超构透镜所需的所有基本单元；将几个基本单元按照一定的相位轮廓排列，则构成最终的超构透镜。本发明专利技术在聚焦的同时将非偏振或任意偏振太赫兹波均直接转换为特定的圆偏振太赫兹并聚焦，完全摆脱对额外太赫兹起偏器的依赖，因此比现有太赫兹超构透镜有更高的集成特性。兹超构透镜有更高的集成特性。兹超构透镜有更高的集成特性。

【技术实现步骤摘要】
一种将非偏振波直接转换成圆偏振波的太赫兹超构透镜


[0001]本专利技术涉及太赫兹科学
，尤其涉及一种将非偏振波直接转换成圆偏振波的太赫兹超构透镜。

技术介绍

[0002]超构透镜是一类具有聚焦功能的超材料器件，其集成度高、易于用户定制且有利于批量生产，已成为替代传统光学聚焦透镜的主要候选者。超构透镜发展至今，已具备同步偏振选择与偏振转换的功能，其集成特性进一步提升。例如，在先进光学相机中，具有圆偏振转化功能的超构透镜可以同时替代传统的光学圆偏振镜和聚焦透镜，大大缩小相机体积。然而，现有超构透镜仍然依赖于特定偏振波输入。因此，这些超构透镜不得不依赖于额外的光学起偏器以限制输入波的偏振态。
[0003]在太赫兹波段，光基太赫兹起偏器体积都相当巨大，占据较大系统空间。显然，若太赫兹超构透镜可直接从非偏振(或任意偏振)波中获取特定偏振波并聚焦，这将摆脱对额外太赫兹起偏器的依赖，进一步增强系统集成特性并降低系统成本。本专利技术通过精巧的原理和结构设计，获得了将非偏振(或任意偏振)太赫兹波直接转换成圆偏振太赫兹波并同步聚焦的超构透镜，而无需任何额外太赫兹起偏器。

技术实现思路

[0004]针对上述的技术问题，本专利技术提出一种将非偏振波直接转换成圆偏振波的太赫兹超构透镜，用以解决现有技术中的超构透镜依赖额外太赫兹起偏器以限制输入波偏振态的问题。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：
[0006]一种将非偏振波直接转换成圆偏振波的太赫兹超构透镜，包括如下步骤：
[0007]S1.设计两个不同超构原子以组成一个超构分子作为基本单元，工作频率为太赫兹波段，两个不同超构原子构成的琼斯矩阵J整体满足：
[0008][0009]J表示一个超构分子的琼斯矩阵，式中为旋转矩阵，J
A
,J
B
分别对应到两个超构原子的琼斯矩阵；
[0010]相延分别为
‑
π/2和π/2，对应输出右旋圆偏振(RCP)波；相延分别为π/2和
‑
π/2，则对应输出左旋圆偏振(LCP)波；
[0011]S2.将J所表示的超构分子旋转不同角度，以获得构成一个超构透镜所需的所有基本单元；超构分子旋转某一角度后的琼斯矩阵普遍形式可表示成：
[0012][0013]旋转因子决定了超构分子的相位延迟，旋转角度对应的输出圆偏振波的相延为
[0014]进一步，步骤S2中几个基本单元的旋转角度之间必须是等差的，且公差为π/n(对应的相延公差为2π/n)，这里n为组数。
[0015]进一步地，所述基本单元包含四个不同旋转角度的超构分子，即n＝4，旋转角度公差π/4(对应的相延公差π/2)，则这四个超构分子最终输出的圆偏振太赫兹波的相位相对值分别为0、π/2、π、3π/2。
[0016]进一步，将步骤S2几个基本单元按照的相位轮廓排列，则构成最终的超构透镜；这里λ为工作波长，f为焦距，(x,y)是以超表面中心为坐标原点时超表面上每个点的坐标。
[0017]本专利技术的有益效果：本专利技术的非偏振波可以看成是无数偏振波的无规则集合，本专利技术在聚焦的同时将非偏振(或任意偏振)太赫兹波均直接转换为特定的圆偏振太赫兹并聚焦，完全摆脱对额外太赫兹起偏器的依赖，因此比现有太赫兹超构透镜有更高的集成特性。
附图说明
[0018]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0019]图1(a)为本专利技术的两个超构原子的结构示意图，图1(b)为超构分子的结构示意图，图1(c)为1THz的任意偏振波输入后的圆偏振转换效率；
[0020]图2(a)为本专利技术的旋转不同角度的超构分子，图2(b)为超构分子在1THz处的输出圆偏振幅度，2(c)为超构分子在1THz处的相对相位值；
[0021]图3(a)为本专利技术的不同超构分子组成的超构透镜SEM和实物图，图3(b)为 1THz任意偏振波输入后的输出圆偏振波的截面电场分布图，图3(c)为1THz任意偏振波输入后的输出圆偏振波的焦平面电场分布图。
具体实施方式
[0022]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0023]本专利技术所述一种将非偏振波直接转换成圆偏振波的太赫兹超构透镜，包括以下步骤：
[0024]步骤一，选择高阻硅材料，设计两个不同的矩形超构原子以组成一个超构分子，工作频率设计为1THz，两个不同超构原子构成的琼斯矩阵J整体满足：
[0025][0026]J即表示一个超构分子的琼斯矩阵，式中为旋转矩阵，J
A
,J
B
分别对应到两个超构原子的琼斯矩阵。相延分别取
‑
π/2和π/2，对应输出RCP 波；相延分别取π/2和
‑
π/2，则对应LCP输出波。
[0027]步骤二，将J所表示的超构分子旋转不同角度，以获得构成一个超构透镜所需的所有基本单元。超构分子旋转某一角度后的琼斯矩阵普遍形式可表示成：
[0028][0029]旋转因子决定了超构分子的相位延迟，旋转角度对应的输出圆偏振波的相延为几个基本单元的旋转角度之间是等差的，公差为π/n(对应的相延公差为2π/n)，这里n为组数。
[0030]进一步，将步骤二中几个基本单元按照的相位轮廓排列构成超构透镜；这里λ＝300μm为工作波长，f为焦距，(x,y)是以超表面中心为坐标原点时超表面上每个点的坐标。
[0031]下面结合实施例对本专利技术进行详细说明：
[0032]实施例1
[0033]一种将非偏振波直接转换成圆偏振波的太赫兹超构透镜，包括以下步骤：
[0034]S1.如图1(a)，设计两个不同的矩形超构原子以组成一个如图1(b)所示的超构分子(其中包含的超构原子两两相同)。所有超构原子基于高阻硅(ε＝11.9) 介质，高阻硅衬底部分的高度300μm，矩形柱部分的高度为h＝200μm，每一个超构原子的周期常数均为Px＝Py＝160μm，工作中心频率设计为1THz。为了满足具体实施方式中步骤一所要求的琼斯矩阵，超构原子的长宽尺寸分别为：l1＝74 μm，w1＝47μm，l2＝104μm，w2＝50μm。相延分别为π/2和
‑
π/2，设计输出波为左旋圆偏振(LCP)。如图1(c)，此超构分子可以使任意偏振太赫兹波转变成 LCP太赫兹波，几乎没有右旋圆偏振(RCP)输出。
[0035]S2.如图2(a)，将本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种将非偏振波直接转换成圆偏振波的太赫兹超构透镜，其特征在于，包括若干个具有不同旋转角度的超构分子，且每个超构分子作为一个基本单元；每个超构分子包含两个不同的超构原子。2.根据权利要求1所述的将非偏振波直接转换成圆偏振波的太赫兹超构透镜，其特征在于，两个不同的超构原子构成的一个超构分子的琼斯矩阵J满足：式中为超构分子的旋转角，为旋转因子，为旋转矩阵，J
A
,J
B
分别对应两个超构原子的琼斯矩阵。3.根据权利要求2所述的将非偏振波直接转换成圆偏振波的太赫兹超构透镜...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚建铨，李继涛，李杰，郑程龙，岳震，张雅婷，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：