极化不敏感的超高数值孔径超表面透镜及设计方法技术

本发明专利技术涉及超表面技术领域，尤其涉及一种极化不敏感的超高数值孔径超表面透镜及设计方法，其中超表面透镜包括：两个相同的金属层和设置在两个金属层之间的介质层；金属层由阵列式排布的N

【技术实现步骤摘要】
极化不敏感的超高数值孔径超表面透镜及设计方法


[0001]本专利技术涉及超表面
，尤其涉及一种极化不敏感的超高数值孔径超表面透镜及设计方法、计算机设备、计算机可读存储介质。

技术介绍

[0002]超表面透镜(或称超构透镜)是一种由相位梯度渐变的周期金属或介质超表面阵列排列而成的平面型透镜。近年来，随着超材料与超表面技术的蓬勃发展，基于超表面设计的高性能超透镜研究及应用得到了极大关注。相比于三维超材料，超构表面是一种准二维的超薄材料，不仅能够实现常规超材料的特性，而且具有厚度薄、剖面低、损耗低、加工简单、易平面共形和成本低的优势。
[0003]当前低频段的高数值孔径金属超透镜大多采用多层金属(至少4层)的超表面结构实现，厚度大，加工和测试成本高，实现难度较大，且通常对于入射电磁波的极化方向有要求，不能适用不同的极化方向。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是针对上述至少一部分不足之处，提供一种低频段的极化不敏感超高数值孔径超表面透镜及设计方法。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术提供了一种极化不敏感的超高数值孔径超表面透镜，包括：
[0006]两个相同的金属层和设置在两个所述金属层之间的介质层；
[0007]所述金属层由阵列式排布的N
×
N个方环单元构成，N的取值范围为12～18；所述方环单元包括方形金属基底和开设在所述方形金属基底上的方形环空隙，所述方形环空隙为中心对称结构，与所述方形金属基底同心，且边与所述方形金属基底的边平行，各所述方环单元在所述金属层中满足双曲型空间相位分布，传输相位从所述金属层的中心到边缘梯度渐变。
[0008]可选地，所述的超高数值孔径超表面透镜总厚度不超过0.1λ；λ表示入射电磁波的波长。
[0009]可选地，N的取值为15。
[0010]可选地，所述方环单元中，所述方形金属基底为正方形结构；所述方形环空隙为正方形环结构。
[0011]可选地，所述介质层由均匀特氟龙、玻璃或者泡沫构成。
[0012]本专利技术还提供了一种极化不敏感的超高数值孔径超表面透镜设计方法，用于制作如上述任一项所述的极化不敏感的超高数值孔径超表面透镜，包括：
[0013]确定超表面透镜的焦距和工作频率；
[0014]确定金属层和介质层的厚度与材质，单个方环单元的尺寸，以及N的取值；
[0015]基于超表面透镜的焦距和工作频率，确定各所述方环单元对应的相位分布；
[0016]基于各所述方环单元对应的相位分布、单个方环单元的尺寸以及N的取值，确定各所述方环单元中方形环空隙的尺寸，包括x方向和y方向的内环边长与空隙宽度。
[0017]可选地，所述的设计方法还包括：
[0018]计算所述超表面透镜的数值孔径，并进行判断；若计算所得的数值孔径不在预设范围内，则调整各所述方环单元中方形环空隙的尺寸，再重新计算所述超表面透镜的数值孔径，重复直至计算所得的数值孔径落在预设范围内。
[0019]可选地，所述调整各所述方环单元中方形环空隙的尺寸，包括：
[0020]改变x方向和y方向的内环边长，或，改变x方向和y方向的空隙宽度。
[0021]本专利技术还提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述设计方法的步骤。
[0022]本专利技术还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述设计方法的步骤。
[0023]本专利技术的上述技术方案具有如下优点：本专利技术提供了一种极化不敏感的超高数值孔径超表面透镜及设计方法、计算机设备、计算机可读存储介质，该超高数值孔径超表面透镜采用双层金属超表面和单层介质实现，其中金属超表面由阵列式排布的方环单元构成，具有极化不敏感的优势，能够同时工作在TM和TE极化，且聚焦性能优异，也具有轻材质和低剖面的优势。
附图说明
[0024]图1是本专利技术实施例中一种超高数值孔径超表面透镜剖面示意图；
[0025]图2是本专利技术实施例中一种方环单元结构示意图；
[0026]图3(a)是本专利技术实施例中一种方环单元不同缝隙宽度对应的透射幅度随频率分布图；
[0027]图3(b)是本专利技术实施例中一种方环单元不同缝隙宽度对应的传输相位随频率分布图；
[0028]图4(a)是本专利技术实施例中一种超高数值孔径超表面透镜平面示意图；
[0029]图4(b)是图4(a)的虚线部分放大图；
[0030]图5(a)是图4(a)所示超高数值孔径超表面透镜在TM极化入射下的纵向聚焦分布图；
[0031]图5(b)是图4(a)所示超高数值孔径超表面透镜在TE极化入射下的纵向聚焦分布图；
[0032]图5(c)是图4(a)所示超高数值孔径超表面透镜在TM极化入射下的聚焦斑点截面分布图；
[0033]图5(d)是图4(a)所示超高数值孔径超表面透镜在TE极化入射下的聚焦斑点截面分布图；
[0034]图6(a)是图4(a)所示超高数值孔径超表面透镜在TM极化入射下的聚焦斑点横向能量分布图；
[0035]图6(b)是图4(a)所示超高数值孔径超表面透镜在TE极化入射下的聚焦斑点横向能量分布图。
具体实施方式
[0036]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，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做出创造性劳动的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。
[0037]如前所述，当前低频段的高数值孔径金属超透镜大多采用多层金属(至少4层)的超表面结构实现，厚度大，加工和测试成本高，实现难度较大，且通常对于入射电磁波的极化方向有要求，不能适用不同的极化方向。而采用单层或双层金属超表面结构，能够大大降低超透镜的设计成本和实现难度，且有利于大规模推广和应用。但是，受限于目前采用的周期金属单元结构和阵列设计，通常无法通过单层或双层金属超表面结构实现高数值孔径(或者超高数值孔径)的超透镜。有鉴于此，本专利技术提供了一种采用双层金属超表面和单层介质实现的超表面透镜(简称超透镜)，其中金属超表面由阵列式排布的方环单元构成，具有极化不敏感的优势，能够同时工作在TM和TE极化方向下，且聚焦性能优异，也具有轻材质和低剖面的优势。
[0038]如图1所示，本专利技术实施例提供的一种极化不敏感的超高数值孔径超表面透镜，包括两个相同的金属层和设置在两个所述金属层之间的介质层；其中，所述金属层由阵列式排布的N
×
N个方环单元构成，N的取值范围为12～18，更优选为N＝15；所述方环单元包括方形金属基底和开设在所述方形金属基底上的方形环空隙，所述方形环空隙为中心对称结构，所述方形环空隙与所述方形金属基底同本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种极化不敏感的超高数值孔径超表面透镜，其特征在于，包括：两个相同的金属层和设置在两个所述金属层之间的介质层；所述金属层由阵列式排布的N
×
N个方环单元构成，N的取值范围为12～18；所述方环单元包括方形金属基底和开设在所述方形金属基底上的方形环空隙，所述方形环空隙为中心对称结构，与所述方形金属基底同心，且边与所述方形金属基底的边平行，各所述方环单元在所述金属层中满足双曲型空间相位分布，传输相位从所述金属层的中心到边缘梯度渐变。2.根据权利要求1所述的超高数值孔径超表面透镜，其特征在于：总厚度不超过0.1λ；λ表示入射电磁波的波长。3.根据权利要求1所述的超高数值孔径超表面透镜，其特征在于：N的取值为15。4.根据权利要求1所述的超高数值孔径超表面透镜，其特征在于：所述方环单元中，所述方形金属基底为正方形结构；所述方形环空隙为正方形环结构。5.根据权利要求1所述的超高数值孔径超表面透镜，其特征在于：所述介质层由均匀特氟龙、玻璃或者泡沫构成。6.一种极化不敏感的超高数值孔径超表面透镜设计方法，其特征在于，用于制作如权利要求1
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5任一项所述的极化不敏感的超高数值孔径超表面透镜，包括：确定超表面透镜...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘永强，
申请(专利权)人：北京环境特性研究所，
类型：发明
国别省市：