一种太赫兹广角宽带超构透镜及制备方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115857072A(43)申请公布日2023.03.28(21)申请号202211489741.1(22)申请日2022.11.25(71)申请人南京理工大学地址210094江苏省南京市玄武区孝陵卫200号(72)发明人俞叶峰唐星肖亦可丁继根(74)专利代理机构南京理工大学专利中心32203专利代理师马鲁晋(51)Int.Cl.G02B3/00(2006.01)G02B1/00(2006.01)G02B3/02(2006.01)G02B3/08(2006.01)权利要求书3页说明书9页附图6页(54)发明名称一种太赫兹广角宽带超构透镜及制备方法(57)摘要本发明公开了一种太赫兹广角宽带超构透镜及制备方法，所述超构透镜包括基底以及基底上的超构单元，其中基底上均匀设置多个超构单元；超构单元包括圆柱形结构、圆环形结构、方柱形结构、十字形结构、方环形结构五种；通过改变五种超构单元的占比，获得超构单元在中心频率处的相位、色散相位和透过率。设计方法为：首先构建“相位‑色散”单元库；然后基于修正后的二次非球面相位剖面公式、群时延公式和单元仿真透射率，选取合适的单元进行超构透镜的布阵。制备方法为：首先进行硅片‑玻璃阳极键合，然后进行曝光显影，最后进行深硅刻蚀。本发明制备的超构透镜具有平面化、偏振不敏感、能够实现在大视场范围和宽带内实现汇聚、焦距稳定的优点。CN115857072ACN115857072A权利要求书1/3页1.一种太赫兹广角宽带超构透镜，其特征在于，包括基底以及基底上的超构单元；所述基底上均匀设置多个超构单元；所述超构单元包括圆柱形结构、圆环形结构、方柱形结构、十字形结构、方环形结构五种；通过改变五种超构单元的横截面尺寸，获得超构单元在中心频率处的相位、色散相位和透过率。2.根据权利要求1所述的太赫兹广角宽带超构透镜，其特征在于，所述基底的材料采用二氧化硅，超构单元的材料采用硅，超构单元的尺寸及周期小于最大工作波长；所述超构单元为圆柱形结构、圆环形结构、方柱形结构、十字形结构、方环形结构中的任意一种；所述超构单元为C4对称结构排布；所述超构单元的周期小于奈奎斯特采样率λ/2NA，λ为工作波长，NA为超构透镜的数值孔径；所述超构单元为截断波导，在工作带宽内相位随频率线性变化，在工作视场范围内相位和透过率与入射角度无关，产生的相位其中neff(ω)为有效折射率，h为超构单元的高度，c为真空中的光速，ω为频率。3.根据权利要求1所述的太赫兹广角宽带超构透镜，其特征在于，所述超构透镜的相位分布为：其中，F＝f*ωn，对于消色差透镜来说，n＝0；ω为角频率，c为光速，f为超构透镜的预设焦距，r为任意一个超构单元到超构透镜中心的距离；在ω＝ωp处泰勒展开得到：其中，ωp为工作频率，F为与频率相关的焦距，为中心频率处超构透镜的相位分布，分别为超构透镜的群时延和群时延色散；对于消色差透镜来说，F＝f为常量，设定相位分布的高阶项忽略，因此相位分布是关于ω的线性函数：为了避免透镜中心r＝0处群时延为0，相位应加上一个线性修正δ*(ω‑ωmin)/Δω，其中δ为最大相位补偿，Δω＝ωmax‑ωmin为工作带宽，ωmax、ωmin分别为最大与最小工作频率；因此，修正后的相位分布和色散相位分布分别为：2CN115857072A权利要求书2/3页为了实现广角宽带消色差超构透镜，位置r处的超构单元在中心频率处应同时满足修正后的相位Φ(r,ωp)和修正后的色散相位Ψ(r,ωp)。4.一种太赫兹广角宽带超构透镜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、通过改变五种超构单元的占空比获得超构单元在中心频率处的相位、色散相位和透过率，构建相位‑色散单元库；步骤2、确定二次非球面超构透镜的数值孔径，从单元库中选出与修正后的相位Φ(r,ωp)和修正后的色散相位Ψ(r,ωp)相匹配的单元进行布阵，并且选取的单元透过率大于70％；步骤3、计算超构透镜在工作带宽和工作视场内的汇聚效率；步骤4、基于步骤1～步骤3所构造的超构透镜，进行硅片‑玻璃阳极键合：使用晶圆键合机将清洁后的玻璃和硅片阳极键合；步骤5、曝光显影：先对硅片进行表面预处理，旋涂光刻胶，前烘去除光刻胶中的有机溶剂；采用紫外光刻机和镀铬掩模版对光刻胶进行曝光，显影去除曝光部分光刻胶；步骤6、深硅刻蚀：采用等离子刻蚀设备对样本进行深硅刻蚀，有机清洗去除残胶，得到超构透镜样品。5.根据权利要求4所述的太赫兹广角宽带超构透镜的制备方法，其特征在于，步骤1所述的通过改变五种超构单元的占空比获得超构单元在中心频率处的相位、色散相位和透过率，构建相位‑色散单元库，具体如下：步骤1.1、对五种不同横截面形状的超构单元进行逐一宽带扫描，通过扫描，得到特定结构和特定参