一种基于伪表面等离激元的太赫兹透镜

1.本发明属于太赫兹片上集成系统领域，具体涉及一种基于伪表面等离激元的太赫兹透镜。


背景技术：

2.太赫兹波通常是指频率在0.1thz～10thz(波长在3mm～30μm)之间的电磁波，位于微波和红外之间。太赫兹波在光谱中的位置独特，其长波方向是电子学领域，短波方向则是光学领域，这两个领域对操控电磁波的手段不尽相同，且都难以完美运用在太赫兹波段，这在很大程度上制约了太赫兹波的发展，并产生了“太赫兹间隙”的说法。太赫兹波在电磁波谱中的特殊位置使其具有很多独特的性质，如吸水性、安全性、瞬态性、宽带性、指纹谱性等，人们愈发关注太赫兹波在成像、通信和传感等方面的应用潜力，因此对于太赫兹波段的功能器件需求日益增大，目前这一需求正按照器件紧凑化、集成化的思路发展，而基于表面等离激元(surface plasmon polaritons)的发展方向正是其中之一。
3.本专利涉及的透镜器件工作在太赫兹波段，而在太赫兹波段，由于大多数金属具有良好的导电性，表面等离子体激元难以实现强约束。通过在金属表面人为构造一层周期性结构，如二维孔阵列或立体微结构，可以支持太赫兹频段下的伪表面等离激元(spoof surface plasmon polaritons)束缚模。通过改变金属表面微结构的尺寸可人为的控制伪表面等离激元的等离子体频率，从而实现对太赫兹表面波的传播控制。
4.梯度折射率透镜(grin)由于其独特的光学性能一直受到人们的关注，通过人为构造折射率随空间按一定规律变化的介质，利用变换光学理论对其进行分析，可以得到一些光学性质独特的器件，梯度折射率介质广泛存在于自然界，诸如人的眼球和地球的大气层，而在光学仪器领域，麦克斯韦(maxwell)早在1854年就曾经研究过著名的“鱼眼透镜”，它能将透镜介质空间中的每一点无像差的成像在其共轭点，此后在这一领域有源源不断的透镜被设计出来，如伦伯(luneburg)透镜和伍德(wood)透镜等，这类透镜虽然在理论上有非常重要的意义，但一直受限于制作工艺而无法完美实现，直到1970年才由日本学者北野一郎(kitano)等人利用溶盐离子交换工艺成功制作出第一块梯度折射率透镜。与传统的梯度折射率透镜相比，表面等离激元具有可克服衍射极限在亚波长空间内传播的特性，表面等离激元透镜可在一个平面内实现折射率的渐变，其优势在太赫兹片上集成化系统中可以得到充分利用，并且在样品的加工和制备上更容易实现。


技术实现要素：

5.本发明所为了解决背景技术中存在的技术问题，目的在于提供了一种基于伪表面等离激元的太赫兹透镜，设计了三种不同的太赫兹片上集成梯度折射率透镜，以实现对太赫兹信号的传播处理。
6.为了解决技术问题，本发明的技术方案是：
7.一种基于伪表面等离激元的太赫兹透镜，所述太赫兹透镜由衬底及衬底上周期性
排列的长方体结构构成。
8.可以理解：本发明由金属衬底上的周期性金属长方体结构排列构成；通过电阻率大于1000ω/cm的高阻硅制成，采用深度反应离子刻蚀和光刻技术在硅基底上刻蚀得到边长不一的周期性长方体结构，然后利用蒸镀手段在完整结构上覆盖一层厚度大于200nm的金；完整透镜器件分为两个部分，第一部分为器件提供表面太赫兹信号，第二部分对表面太赫兹波进行处理。通过改变第二部分金属长方体结构的边长尺寸使其具有不同等效折射率，依据转换光学理论将其按照梯度折射率分布进行排列，实现表面等离激元鱼眼透镜、表面等离激元伦伯透镜、表面等离激元径向折射率分布透镜三种功能不同的器件。
9.进一步，所述太赫兹透镜基于高阻硅材料刻蚀。
10.进一步，所述高阻硅的电阻率大于1000ω/cm。
11.进一步，所述周期性排列的长方体结构在衬底上刻蚀形成。
12.进一步，所述衬底上周期性排列的长方体结构通过深度反应离子刻蚀和光刻技术在所述衬底上刻蚀形成。
13.进一步，所述太赫兹透镜上还覆盖金属层；
14.具体地，采用蒸镀工艺在太赫兹透镜上覆盖金属层，具体覆盖位置为周期性排列的长方体结构的外壁和衬底的上表面。
15.进一步，所述金属层的厚度大于200nm。
16.进一步，所述金属层的材质为金。
17.进一步，所述长方体结构的高度h为80μm,所述长方体结构的长度a与宽度a相等且变化范围为30-74μm。
18.进一步，通过改变长方体结构的长度a参数与宽度a参数调控伪表面等离激元模式，从而改变长方体结构的有效折射率；按照太赫兹透镜的梯度折射率分布对长方体结构进行排列实现表面等离激元鱼眼透镜、表面等离激元伦伯透镜、表面等离激元径向折射率分布透镜三种不同功能的透镜器件。
19.与现有技术相比，本发明的优点在于：
20.1.本发明是一种工作在太赫兹频段且具有一定宽带性的器件，可以实现对太赫兹信号的汇聚与偏折功能。
21.2.传统光学器件受限于衍射极限而无法有效限制尺寸，表面等离激元电磁波和导体中载流子之间的相互作用，将电磁场限制在亚波长量级并进行操控，本发明可在一个平面内实现折射率渐变，相较于传统梯度折射率透镜，本发明具有小型化、简易化和多功能等优点，且在样品加工和制备上更容易实现。
22.3.本发明可广泛用于太赫兹片上集成器件，既能够实现单一器件集成，也能与其他复杂器件，如耦合器件、逻辑器件等进行多功能集成。
附图说明
23.图1(a)和图1(b)为本发明涉及的太赫兹伪表面等离激元透镜器件的基本单元结构示意图及其对应的有效折射率范围。
24.图2(a)和图2(b)为本发明实施例2涉及的表面等离激元鱼眼透镜示意图及其表面电场分布仿真结构。
25.图3(a)和图3(b)为本发明实施例3涉及的表面等离激元伦伯透镜示意图及其表面电场分布仿真结构。
26.图4(a)和图4(b)为本发明实施例4涉及的表面等离激元径向折射率分布透镜示意图及其表面电场分布仿真结构。
具体实施方式
27.下面结合实施例描述本发明具体实施方式：
28.需要说明的是，本说明书所示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
29.同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
30.实施例1：
31.图1(a)为本发明所述的太赫兹伪表面等离激元透镜的单元结构示意图，该单元结构由金属衬底和至于其上的多个金属长方形结构两部分构成。金属衬底厚度为t，金属长方形结构具有相同的高度h和周期p，每个金属柱子具有相同的长宽a，表面波可以在柱子上方传播，通过改变边长a的大小可以调控结构所支持的表面波模式，利用公式：n
eff
(f)＝k(f)/k0(k)，我们可以计算出不同单元对应的等效折射率，其中f是频率，k0是自由空间波数。图1(b)展示出了a在30-74um变化范围内的有效折射率分布，基本可以满足1-1.5的折射率范围。受限于金属柱子尺寸影响，在透镜理论折射率大于1.5位置处的地方采用等效折射率为1.5的单元填充，在透镜理论折射率小于1位置处的地方采用等效折射率为1的单元填充。
32.实施例2：
33.本实施例涉及的表面等离激元鱼眼透镜由上述金属单元结构组成，该透镜由两部分组成，第一部分为点光源信号放置区，第二部分为透镜主体对信号经行处理，通过改变金属柱子的边长a得到具有不同等效折射率的单元结构，将其按照折射率公式排布(n(0)为圆心的折射率，取1.49，r0为圆的半径，r为距圆点的距离)，得到如图2(a)所示的等离激元鱼眼透镜，该结构能将透镜一端的太赫兹点光源成像到中心对称的另一端。图2(b)展示了在0.62thz下距离金属衬底上方130μm处电场分布结果仿真图。
34.实施例3：
35.本实施例涉及的表面等离激元伦伯透镜由上述金属单元结构组成，该透镜由两部分组成，第一部分为光栅结构，为透镜提供输入信号，光栅大小为40μm*4000μm，沿x方向周期为428μm，整个激发区域大小为2mm*4mm；第二部分为透镜区域，负责对入射信号进行处理。表面等离激元伦伯透镜折射率分布为(r0为圆的半径，r为距圆点的距离)，其结构如图3(a)所示，该器件可以将平行入射的表面波汇聚到透镜的一端，图3(b)展示了在0.62thz下展示了距离金属衬底上方130μm处电场分布结果仿真图。
36.实施例4：
37.本实施例涉及的表面等离激元径向折射率变化透镜由上述金属单元结构组成，该透镜由两部分组成，第一部分为弧形光栅结构，为透镜提供输入信号，其中光栅结构由半同心圆环组成，中央圆环的内外半径分别为461μm和421μm，圆环之间周期间隔为461μm，整个激发区域大小为1383μm*2766μm；第二部分为透镜区域，负责对入射信号进行处理。表面等离激元径向折射率变化透镜折射率分布为n(r)＝n(0)sech(r)(n(0)为中轴位置折射率，取1.49，r为距离中轴线距离)，其结构如图4(a)所示，该器件可以改变入射表面波的传输位置而不改变其传输方向，图4(b)为0.62thz下金属衬底上方130μm处电场分布结果仿真图。
38.上面对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
39.不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。