适用于太赫兹频段的非对称传输多焦点汇聚超表面透镜及其制备方法

本发明基于电磁波方向复用，设计了一种手性单元，采用极化转换的方式实现了单向传输功能，将超表面单元按棋盘结构排布实现非对称传输的多焦点汇聚超表面透镜。

背景技术：

1、电磁波在当今许多应用中起着至关重要的作用，以理想方式控制和塑造电磁波一直是人们追求的梦想。传统的电磁波控制方法主要依赖于电磁波传播过程中累积相位延迟的介质曲面。这种调控方法的主要问题是，与工作波长相比介质的厚度过大，不能满足小型化集成化的需求，特别是在与其他功能器件集成的系统中。超表面，一种亚波长单元结构，可以被等价地视为二维超材料。通过利用界面上的场不连续性，超表面能实现对电磁波振幅、极化、相位的控制。太赫兹波是指频率为0.1-10thz(1thz＝1012hz)的电磁波，太赫兹波介于微波和红外光之间。太赫兹波具有如下几个重要特性：穿透能量强、单个光子能量较低、光谱信息十分丰富，然而，太赫兹技术的发展受限颇多。迄今为止，髙性能thz源和高灵敏thz检测器发展落后。并且实验环境搭建困难，空气中的水蒸气会吸收太赫兹波，太赫兹波的传输和检测因此受限，工作于太赫兹频段的器件设计发展极其有限。在这种严峻的条件下，研究应用于太赫兹波段的超表面是对太赫兹器件领域的探索，是十分有意义的。方向复用技术依赖于超表面单元，当电磁波从不同的方向入射到超表面上时，由于超表面上每个单元的独特设计，它们可以对每个方向的光线施加不同的相位、幅度或偏振变化。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有超表面透镜抗干扰能力弱，液晶超表面透镜不具有非对称传输特性等问题，而提供一种适用于太赫兹频段的非对称传输多焦点汇聚超表面透镜及其制备方法。

2、本发明适用于太赫兹频段的非对称传输多焦点汇聚超表面透镜，该超表面透镜整个阵列由超表面a类单元和超表面b类单元按棋盘结构排布构成，即超表面a类单元和超表面b类单元相邻且交替设置；超表面a类单元和超表面b类单元均由三层金属层和两层介质层形成多层结构，金属层和介质层交替设置，每个超表面单元的顶层金属层和底层金属层为正交的光栅，中间层金属层为中心对称的双开口圆环结构，双开口圆环相交叉；超表面a类单元和超表面b类单元中的顶层金属层的光栅相正交，超表面a类单元和超表面b类单元中的底层金属层的光栅相正交。

3、本发明适用于太赫兹频段的非对称传输多焦点汇聚超表面透镜的制备方法按照以下步骤实现：

4、一、在洁净的硅片上涂覆光阻胶，采用光刻工艺利用掩模按照底层金属层的图案进行曝光，利用显影液显影后烘干，然后采用电子束蒸发工艺沉积金属层，通过丙酮溶液溶解光阻层来剥离光阻胶，留下底层金属层，得到带有底层金属层的硅片；

5、二、在基底表面旋涂聚酰亚胺溶液，固化后得到第一聚酰亚胺层(介质层)，将第一聚酰亚胺层转移到底层金属层上，在第一聚酰亚胺层表面旋涂光阻胶并烘干，采用光刻工艺利用掩模按照中间层金属层的图案进行曝光，利用显影液显影后烘干，然后采用电子束蒸发工艺沉积金属层，通过丙酮溶液溶解光阻层来剥离光阻胶，留下中间层金属层，得到带有两层金属层的硅片；

6、三、在基底表面旋涂聚酰亚胺溶液，固化后得到第二聚酰亚胺层(介质层)，将第二聚酰亚胺层转移到中间层金属层上，在第二聚酰亚胺层表面旋涂光阻胶并烘干，采用光刻工艺利用掩模按照顶层金属层的图案进行曝光，利用显影液显影后烘干，然后采用电子束蒸发工艺沉积金属层，通过丙酮溶液溶解光阻层来剥离光阻胶，留下顶层金属层，得到适用于太赫兹频段的非对称传输多焦点汇聚超表面透镜。

7、本发明设计了一种三层手性单元，设计的超表面单元为三层金属结构，相邻金属层之间用聚酰亚胺隔开。为了实现对线极化波的单向传输功能，顶层和底层被设计为正交的金属银光栅来实现对线极化波的筛选。聚酰亚胺具有良好的可塑性和尺寸稳定性，在这里介质层所用材料为聚酰亚胺。本发明采用极化偏转的方式来实现电磁波的单向传输，中间层设计为关于单元中心对称的开口圆环结构，该结构可以实现电磁波的极化偏转，当x极化波正向入射时，生成交叉极化波出射。要实现多焦点汇聚超表面透镜，根据电磁波汇聚相位公式，需要超表面单元可以对电磁波施加0-2π的相位突变。通过改变圆环开口角和圆环内径可以实现0-2π的相位覆盖。

8、本发明基于方向复用技术，围绕超表面对电磁波透射特性的调控，深入开展了非对称传输以及多焦点汇聚超表面透镜等方面的研究。设计了三层手性单元结构，将手性单元按棋盘结构排布实现电磁波的非对称传输。该种超表面器件具有以下独特优势：第一，与传统透镜或其他光学器件相比，超表面在保有修改界面电磁波电磁参数能力的同时，将自身的物理厚度压缩到了波长甚至亚波长的量级。第二，以极化、波长复用技术为例，根据极化状态或者波长大小实现超表面对电磁波的调控会存在极化串扰或者频率串扰问题，串扰的存在会使得传输效率降低。反观方向复用技术不存在串扰问题，可以有效提高超表面调控电磁波的效率；第三，普通超表面调控电磁波的功能数量以及自由度十分有限，资源利用有待提高，而使用方向复用技术可以增加对电磁波调控的一个自由度。

9、本发明以调控空间中电磁波实现非对称传输作为切入点，设计了三层结构手性单元满足互易性，在传统单元排布的基础上创新性的使用了棋盘结构排布，实现了非互易多焦点汇聚超表面透镜。本发明的研究成果将为光场调控和电磁器件设计提供理论研究基础，同时为太赫兹频段的超表面器件设计提供参考方案，这是对太赫兹器件领域的一种有力探索。

10、本发明用于太赫兹频段非对称传输多焦点汇聚的超表面透镜包括以下有益效果：

11、1、本发明设计的多焦点汇聚超表面透镜具有单向传输特性，可以实现对不同极化入射波的选择性透过，增强了超表面透镜的复杂环境抗干扰能力。

12、2、本发明设计的多焦点汇聚超表面透镜使用亚波长单元结构，整个阵列厚度为亚波长量级，具有尺寸小，集成度高，可以与其他光学器件相兼容。

13、3、本发明设计的多焦点汇聚超表面透镜使用了方向复用技术，具有非对称传输特性，电磁波正向反向入射会生成不同的焦点，增加了对电磁波调控的一个自由度，是对新型多功能非互易电磁调控器件设计的一种探索。

技术特征：

1.适用于太赫兹频段的非对称传输多焦点汇聚超表面透镜，其特征在于该适用于太赫兹频段的非对称传输多焦点汇聚超表面透镜的整个阵列由超表面a类单元和超表面b类单元按棋盘结构排布构成，即超表面a类单元和超表面b类单元相邻且交替设置；超表面a类单元和超表面b类单元均由三层金属层和两层介质层形成多层结构，金属层和介质层交替设置，每个超表面单元的顶层金属层和底层金属层为正交的光栅，中间层金属层为中心对称的双开口圆环(2)结构，双开口圆环(2)相交叉；超表面a类单元和超表面b类单元中的顶层金属层的光栅(1)相正交，超表面a类单元和超表面b类单元中的底层金属层的光栅(1)相正交。

2.根据权利要求1所述的适用于太赫兹频段的非对称传输多焦点汇聚超表面透镜，其特征在于金属层的材料为银。

3.根据权利要求1所述的适用于太赫兹频段的非对称传输多焦点汇聚超表面透镜，其特征在于介质层的材料为聚酰亚胺。

4.根据权利要求1所述的适用于太赫兹频段的非对称传输多焦点汇聚超表面透镜，其特征在于顶层金属层和底层金属层中光栅的狭缝宽度为65μm。

5.根据权利要求1所述的适用于太赫兹频段的非对称传输多焦点汇聚超表面透镜，其特征在于中间层金属层中开口圆环的直径为100μm～160μm。

6.根据权利要求1所述的适用于太赫兹频段的非对称传输多焦点汇聚超表面透镜，其特征在于中间层金属层中开口圆环的开口角度为19°～167°。

7.根据权利要求1所述的适用于太赫兹频段的非对称传输多焦点汇聚超表面透镜，其特征在于介质层的厚度为50μm～200μm。

8.根据权利要求1所述的适用于太赫兹频段的非对称传输多焦点汇聚超表面透镜，其特征在于超表面a类单元和超表面b类单元均为方形，方形的长×宽为(0.4～0.8)mm×(0.4～0.8)mm。

9.根据权利要求1所述的适用于太赫兹频段的非对称传输多焦点汇聚超表面透镜，其特征在于超表面透镜的长×宽尺寸为(20～40)mm×(20～40)mm。

10.如权利要求1所述的适用于太赫兹频段的非对称传输多焦点汇聚超表面透镜的制备方法，其特征在于该制备方法按照以下步骤实现：

技术总结
适用于太赫兹频段的非对称传输多焦点汇聚超表面透镜及其制备方法，本发明为了解决现有超表面透镜抗干扰能力弱，液晶超表面透镜不具有非对称传输特性等问题。本发明非对称传输多焦点汇聚超表面透镜，该超表面透镜整个阵列由超表面A类单元和超表面B类单元按棋盘结构排布构成，超表面A类单元和超表面B类单元均由三层金属层和两层介质层形成多层结构，金属层和介质层交替设置，每个超表面单元的顶层金属层和底层金属层为正交的光栅，中间层金属层为中心对称的开口圆环结构，双开口圆环相交叉。本发明设计了三层结构手性单元满足互易性，使用了棋盘结构排布，实现了非互易多焦点汇聚超表面透镜，使用方向复用技术增加对电磁波调控的自由度。

技术研发人员：王琮,江知航,唐晓聪,杜桂强,李阳,高嵩,岳文静,丁旭旻
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/7/29