一种太赫兹精确聚焦透镜设计方法

1.本发明涉及太赫兹技术领域，具体地说是一种太赫兹精确聚焦透镜设计方法。


背景技术：

2.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。太赫兹波近年来在光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。
3.太赫兹透镜是非常重要的太赫兹波束整形器件。其中，太赫兹折射透镜是最常见的，具有适用波段宽、聚焦能力强、结构简单、稳定性高、成本低、加工方便等优点。利用高性能的太赫兹折射透镜可以获得亚波长量级的聚焦光斑。在大部分与太赫兹技术有关的工程应用中，人们的需求往往不是较小的聚焦光斑，而是更加准确的焦平面位置。由于太赫兹波的波长为毫米至亚毫米量级，波动性相比可见光波段更加明显，因此在对太赫兹波进行聚焦时将产生焦移效应，导致实际焦距小于理论焦距，焦平面位置向透镜方向偏移。这种效应在对于长焦透镜尤为明显，会严重影响后续太赫兹器件的工作效果。


技术实现要素：

4.针对工程化应用的需求和现有技术及产品的不足，本发明提供一种太赫兹精确聚焦透镜设计方法，能够根据实际使用频点或频段，对太赫兹聚焦折射透镜进行优化设计，最终实现太赫兹聚焦折射透镜的真实焦距与理论焦距的偏差绝对值控制在1％之内。本发明适用于任何需要对太赫兹波进行波束整形的太赫兹系统。
5.本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
6.一种太赫兹精确聚焦透镜设计方法，包括以下步骤：
7.步骤1：选取太赫兹透镜工作频率和材料；
8.步骤2：标定太赫兹透镜材料的折射率；
9.步骤3：选取太赫兹透镜的通光孔径、直径、焦距、边缘厚度和面型；
10.步骤4：根据实际给定的目标焦距，计算太赫兹透镜聚焦焦移效应补偿量，用于实际照射过程中避免焦平面位置偏差；
11.步骤5：结合折射率，计算太赫兹透镜出射表面的非球面优化参数，根据表面非球面优化参数进一步优化面型。
12.所述工作频率为0.11-1.1thz频段中的任意子频段或频点。
13.所述材料为聚合物或半导体。
14.所述材料为聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯、高密度聚乙烯、聚4-甲基戊烯、硅和锗的任意一种。
15.所述折射率标定为所述材料在所述工作频率下的折射率测量。
16.所述折射率测量的方法为基于矢量网络分析仪的nrw法、牛顿迭代法、基于太赫兹
时域光谱系统的数值解析法以及牛顿迭代法中的任意一种。
17.所述通光孔径小于所述透镜直径。
18.所述面型为平凸面或双凸面，双面均可作为入射面或出光面。
19.所述焦移效应补偿公式为：
[0020][0021]
其中，f为实际焦距，f为理论焦距，d为通光孔径，v为工作频率；
[0022]
太赫兹透镜聚焦焦移效应补偿量为f与f之差。
[0023]
于，对于透镜出射表面上任意顶点(z，y)，有非球面优化公式如下：
[0024]
r＝(n-1)f
[0025][0026]
其中，n为材料折射率，f为理论焦距，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，ai为高阶表面系数，i为高阶项阶次；
[0027]
按照上述公式得到非球面优化参数包括：r、k、ai；其中，当ai忽略时仅以r、k作为非球面优化参数。
[0028]
本发明与现有技术相比具有以下优点及有益效果：
[0029]
1.本发明的方法根据实际工作频点或频段优化太赫兹聚焦透镜的设计，相比现有商用太赫兹透镜，更加满足工程化应用需求。
[0030]
2.使用本发明设计的太赫兹聚焦透镜，其真实焦距与理论焦距的偏差绝对可控制在1％之内，相比现有商用太赫兹透镜，极大提高了聚焦精确度。
附图说明
[0031]
图1是本发明的方法流程图；
[0032]
图2是太赫兹波聚焦透镜和焦移效应示意图；
[0033]
图3是本发明实施例1提供的太赫兹聚焦透镜焦移效应补偿前后对比曲线。
[0034]
附图标记说明：
[0035]
1为入射太赫兹波；2为太赫兹聚焦折射透镜；3为理论出射太赫兹波；4为实际出射太赫兹波；5为实际焦平面；6为理论焦平面；7为焦平面偏移量(焦移量)。
具体实施方式
[0036]
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。
[0037]
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。
[0038]
如图1所示为本发明的方法流程图。
[0039]
一种太赫兹精确聚焦透镜设计方法，包括以下步骤：太赫兹透镜工作频率和材料选取；太赫兹透镜材料折射率准确标定；太赫兹透镜通光孔径、直径、边缘厚度、焦距和面型选取；太赫兹透镜聚焦焦移效应补偿；太赫兹透镜表面非球面优化。
[0040]
实施例1：
[0041]
设计用于矢量网络分析仪g波段的太赫兹精确聚焦透镜。
[0042]
g波段的频率范围为0.17-0.22thz，我们选取在该波段具有良好色散和吸收特性的聚四氟乙烯(ptfe)作为太赫兹透镜的材料。还可以采用以下材料：聚丙烯(pp)、聚乙烯(pe)、高密度聚乙烯(hdpe)、聚4-甲基戊烯(tpx)、硅(si)和锗(ge)。
[0043]
利用基于太赫兹时域光谱系统的数值解析法准确测量得到g波段聚四氟乙烯的折射率稳定为1.43。
[0044]
根据实际需求，我们设置太赫兹透镜的通光孔径为72mm，直径为76.2mm，焦距为100mm，边缘厚度为3mm。太赫兹透镜面型设置为平凸面，其中平面为太赫兹波入射面，凸面为太赫兹波出射面，如图2中(2)所示。
[0045]
选取g波段中心频率0.195thz作为该波段的补偿频点，利用公式代入理论焦距f为100mm，通光孔径d为72mm，工作频率v为0.195thz，可计算得到实际焦距f为98.32mm，对应焦移量为1.68％。
[0046]
设实际焦距为100mm，可计算得到补偿焦距为3.6mm，对应焦移量为0。
[0047]
结合测量得到的透镜材料折射率，利用公式r＝(n-1)f和对太赫兹波出射表面进行非球面优化，其中，n为材料折射率，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，ai为高阶表面系数，i为高阶项阶次。
[0048]
可得相关参数如下：表面顶点曲率半径r为-43.774mm，二次曲面系数k为-2.0449，高阶非球面系数ai为0。
[0049]
太赫兹聚焦透镜焦移效应补偿前后对比曲线如图3所示。补偿后的太赫兹聚焦透镜的焦移量绝对值在g波段内均小于1％。
[0050]
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰应视为本发明的保护范围。