一种超宽带平面超透镜制造技术

本发明专利技术提供了一种超宽带平面超透镜，该超宽带平面超透镜包括：若干单开口谐振环连接组成的方形阵列；所述超宽带平面超透镜的工作频带为8～13GHz；所述单开口谐振环包括两层金属片和非金属介质；所述金属片上开设有两段弧形槽；其中，所述弧形槽在所述金属片上呈中心对称分布；所述非金属介质填充于两层所述金属片之间；所述单开口谐振环的弧形槽的半径由所述超宽带平面超透镜的中心沿着中心线方向向外呈递减分布。本方案提供的超宽带平面超透镜形状结构简单，工作频段宽，透射效率和聚焦效率高、数值孔径大。数值孔径大。数值孔径大。

【技术实现步骤摘要】
一种超宽带平面超透镜


[0001]本专利技术涉及超表面及超透镜
，特别涉及一种超宽带平面超透镜。

技术介绍

[0002]透镜是一种常用的光学和微波器件，传统的透镜大多是基于空间电磁波的光程累积来实现入射波的聚焦，因此存在器件体积庞大、加工复杂和难以集成化等不足。此外，传统的透镜是基于介质材料的折射效应或结构的衍射效应，因此透镜的色散往往随材料参数固定，难以实现聚焦透镜色散的灵活和任意调控。
[0003]超表面是一种平面型的、亚波长的金属或介质结构，通过周期或准周期单元阵列排布，实现对入射电磁波的灵活调控。近年来，随着超材料及超表面技术的不断发展，通过超表面的相位突变实现波前调控的聚焦超透镜也得到了极大关注和研究。Capasso等人提出分界面相位不连续的广义斯涅耳定律实现波前调控，随后他们将V型微纳天线用于光学超透镜的设计，但是由于其强的谐振效应和高损耗，所设计的超透镜工作带宽窄、透射效率低、数值孔径小，限制了其进一步的应用和发展。尽管介质型的超表面被大量应用于宽带的光学和红外超透镜的设计，但同时实现高聚焦效率和大数值孔径仍然十分困难。而在低频段如微波和太赫兹，超透镜的设计大多采用多层金属和介质的混合型结构，其色散特性一般由金属结构几何单元的衍射效应决定，因此其色散与传统的折射光学系统相反为负折射。为了满足全空间相位调控和高透过率传输一般采用大于两层的金属超表面实现，由于所采用的周期金属单元结构的强谐振效应其工作带宽往往很窄，多层金属超表面采用不同的结构和形状设计流程繁琐，结构复杂，相位调控范围较小，工作带宽以内的透射效率和聚焦效率较低，数值孔径小，色散特性固定难以实现灵活调控，限制了其在超宽带和高性能聚焦场合的应用。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供了一种超宽带平面超透镜，该超宽带平面超透镜形状结构简单，工作频段宽，工作带宽以内的透射效率和聚焦效率较高、数值孔径大。
[0005]本专利技术提供了一种超宽带平面超透镜，包括：若干单开口谐振环连接组成的方形阵列；所述超宽带平面超透镜的工作频带为8～13GHz；
[0006]所述单开口谐振环包括两层金属片和非金属介质；
[0007]所述金属片上开设有两段弧形槽；其中，所述弧形槽在所述金属片上呈中心对称分布；
[0008]所述非金属介质填充于两层所述金属片之间；
[0009]所述单开口谐振环的弧形槽的半径由所述超宽带平面超透镜的中心沿着中心线方向向外呈递减分布。
[0010]可选地，所述方形阵列由225个所述单开口谐振环组成。
[0011]可选地，所述超宽带平面超透镜中半径相同的所述单开口谐振环呈中心对称分
布。
[0012]可选地，所述金属片为正方形；
[0013]所述弧形槽的半径与所述金属片的边长之比小于1:2；
[0014]所述弧形槽的宽度与所述金属片的边长之比小于1:2；
[0015]所述弧形槽的半径和所述弧形槽的宽度之和与所述金属片的边长之比小于1:2。
[0016]可选地，所述弧形槽的开口弧度的取值区间为(0
°
，180
°
)。
[0017]可选地，所述弧形槽的宽度与所述金属片的边长之比大于1/6。
[0018]可选地，所述弧形槽的开口弧度大于140
°
。
[0019]可选地，所述单开口谐振环的厚度均相同。
[0020]可选地，所述超宽带平面超透镜的厚度为该超宽带平面超透镜的中心工作波长的1/10。
[0021]可选地，所述非金属介质的介电常数为1～16。
[0022]可选地，所述超宽带平面超透镜中所有所述单开口谐振环的开口方向均一致。
[0023]可选地，所述超宽带平面超透镜的焦距与工作频率呈正相关。
[0024]可选地，所述单开口谐振环的相位补偿φ、该单开口谐振环的位置r、工作频率f和所述超宽带平面超透镜的焦距F满足如下关系式：
[0025][0026]其中，c为光速。
[0027]本专利技术实施例提供了一种超宽带平面超透镜，采用结构简单的单开口谐振环，通过不同半径单开口谐振环的相位梯度渐变的周期方形阵列排布实现。且该单开口谐振环由设有两段弧形槽的金属片和填充在两层金属片之间的非金属介质组成，使得超宽带平面超透镜具有低器件厚度，体积小，具有平面化和小型化的优势；而且其紧凑型的设计带来了高透射率传输，使其能实现超宽带的入射电磁波8～13GHz(相对带宽47.6％)的远场聚焦，其焦距随着频率的增大而线性增大，与传统衍射透镜的色散分布相一致。该超宽带衍射透镜在整个宽频带内同时具有80％以上的平均传输效率和50％的高平均聚焦效率。
附图说明
[0028]图1是本专利技术一实施例提供的一种超宽带平面超透镜的平面结构示意图；
[0029]图2是本专利技术一实施例提供的一种单开口谐振环的结构示意图；
[0030]图3是本专利技术一实施例提供的一种超宽带平面超透镜的单开口谐振环阵列的平面相位补偿分布图；
[0031]图4是本专利技术一实施例提供的8GHz入射超宽带平面超透镜时在x
‑
z聚焦平面内的归一化空间能量分布图；
[0032]图5是本专利技术一实施例提供的9GHz入射超宽带平面超透镜时在x
‑
z聚焦平面内的归一化空间能量分布图；
[0033]图6是本专利技术一实施例提供的10GHz入射超宽带平面超透镜时在x
‑
z聚焦平面内的归一化空间能量分布图；
[0034]图7是本专利技术一实施例提供的11GHz入射超宽带平面超透镜时在x
‑
z聚焦平面内的归一化空间能量分布图；
[0035]图8是本专利技术一实施例提供的12GHz入射超宽带平面超透镜时在x
‑
z聚焦平面内的归一化空间能量分布图；
[0036]图9是本专利技术一实施例提供的13GHz入射超宽带平面超透镜时在x
‑
z聚焦平面内的归一化空间能量分布图；
[0037]图10是本专利技术一实施例提供的一种超宽带平面超透镜的焦距随频率变化的关系图；
[0038]图11是本专利技术一实施例提供的不同频率下的一种超宽带平面超透镜的聚焦效率分布图；
[0039]图12是本专利技术一实施例提供的8GHz入射超宽带平面超透镜时在x
‑
y聚焦平面内的聚焦能量分布图；
[0040]图13是本专利技术一实施例提供的9GHz入射超宽带平面超透镜时在x
‑
y聚焦平面内的聚焦能量分布图；
[0041]图14是本专利技术一实施例提供的10GHz入射超宽带平面超透镜时在x
‑
y聚焦平面内的聚焦能量分布图；
[0042]图15是本专利技术一实施例提供的11GHz入射超宽带平面超透镜时在x
‑
y聚焦平面内的聚焦能量分布图；
[0043]图16是本专利技术一实施例提供的12GHz入射超宽带本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超宽带平面超透镜，其特征在于，包括：若干单开口谐振环连接组成的方形阵列；所述超宽带平面超透镜的工作频带为8～13GHz；所述单开口谐振环包括两层金属片和非金属介质；所述金属片上开设有两段弧形槽；其中，所述弧形槽在所述金属片上呈中心对称分布；所述非金属介质填充于两层所述金属片之间；所述单开口谐振环的弧形槽的半径由所述超宽带平面超透镜的中心沿着中心线方向向外呈递减分布。2.根据权利要求1所述的超宽带平面超透镜，其特征在于：所述方形阵列由225个所述单开口谐振环组成。3.根据权利要求1所述的超宽带平面超透镜，其特征在于：所述超宽带平面超透镜中半径相同的所述单开口谐振环呈中心对称分布。4.根据权利要求1所述的超宽带平面超透镜，其特征在于：所述金属片为正方形；所述弧形槽的半径与所述金属片的边长之比小于1:2；所述弧形槽的宽度与所述金属片的边长之比小于1:2；所述弧形槽的半径和所述弧形槽的宽度之和与所述金属片的边长之比小于1:2；和/或，所述弧形槽的开口弧度的取值区间为(0...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘永强，车永星，戚开南，孙金海，李粮生，殷红成，
申请(专利权)人：北京环境特性研究所，
类型：发明
国别省市：