【技術實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術屬于電磁超表面，具體涉及一種實現(xiàn)渦旋光束高效率生成與聚焦的電磁超表面單元、超表面及超表面生成方法。
技術介紹
1、太赫茲波是頻率在0.1-10thz范圍內的電磁波。太赫茲波在自由空間中傳輸損耗比較大，現(xiàn)有的透射式太赫茲超透鏡在實現(xiàn)高效率聚焦方面存在挑戰(zhàn)，尤其是在寬帶寬和高透射率方面。為了實現(xiàn)高效率的聚焦，需要更多的入射電磁波能量能夠被聚焦，從而提高聚焦效率，這對于提高太赫茲透鏡的性能具有重要意義。
2、太赫茲渦旋光束是一種攜帶軌道角動量的電磁波束，其在太赫茲頻段的研究具有重要的科學意義和應用前景。太赫茲渦旋光束的產生通常依賴于螺旋相位板或超表面等光學元件。螺旋相位板通過引入相位延遲來實現(xiàn)渦旋光束的生成，但由于其體積較大，不利于小型化和集成化。近年來，超表面技術的發(fā)展為太赫茲渦旋光束的產生提供了新的途徑。超表面通過亞波長單元結構的設計，能夠在較小的厚度下實現(xiàn)對電磁波的相位和振幅的精確調控。
3、此外，太赫茲渦旋光束在多個領域展現(xiàn)出廣闊的應用潛力。在通信領域，渦旋光束可以用于大容量通信系統(tǒng)，通過攜帶不同的軌道角動量來實現(xiàn)多路復用，從而顯著提高通信容量和系統(tǒng)的保密性。在成像領域，太赫茲渦旋光束能夠提供更高的分辨率和對比度，適用于無損檢測和安全檢查等應用。隨著技術的不斷進步，太赫茲渦旋光束的研究將進一步推動相關領域的技術革新和發(fā)展。
4、現(xiàn)有技術存在的主要問題：
5、1、制造過程中的復雜性和成本挑戰(zhàn)：現(xiàn)有渦旋聚焦太赫茲透鏡的結構較復雜，因而在太赫茲波段的加工難度大，對材料和工藝的
6、2、傳輸相位加工的劣勢：利用傳輸相位的設計會導致透鏡結構設計過于厚重。在太赫茲波段，由于波長較長，傳統(tǒng)的相位調控方法需要較大的結構尺寸，這不利于透鏡的小型化和集成化。
7、3、共振相位與金屬損耗：金屬的高自由電子密度導致了顯著的歐姆損耗，這在共振頻率附近尤為明顯，從而限制了材料的透射性能。共振相位調控由于金屬損耗大，無法實現(xiàn)高透射率的要求。
技術實現(xiàn)思路
1、本專利技術擬提供一種能實現(xiàn)渦旋光束高效率生成與聚焦的電磁超表面單元、超表面以及超表面生成方法，具有結構簡單，制造成本低，金屬損耗小、透射率高，聚焦效果好的特點。
2、為此，本專利技術所采用的技術方案為：一種實現(xiàn)渦旋光束高效率生成與聚焦的電磁超表面單元，包括中間的電介質層，以及設置在電介質層上、下表面的上、下導電金屬層，兩導電金屬層的厚度均大于趨膚深度，其特征在于：所述上導電金屬層由一圓弧和一矩形組成，圓弧的線寬與矩形的線寬t相等，其中矩形的左端與圓弧的內壁相連，且圓弧相對矩形上下對稱，所述下導電金屬層與上電金屬層的結構、參數(shù)相同，與上導電金屬層關于y軸對稱。
3、作為上述方案的優(yōu)選，該電磁超表面單元的周期為0.6mm，電介質層的厚度h為0.15mm，介電常數(shù)為2.3，兩導電金屬層沉積在電介質層的上、下表面；線寬t為0.05mm；圓弧的內徑r2為0.2mm，圓弧角theta范圍為55°～345°；矩形的寬度w范圍為0.1mm～0.45mm。
4、同時，本專利技術還提供了一種實現(xiàn)渦旋光束高效率生成與聚焦的電磁超表面，包括上述的實現(xiàn)渦旋光束高效率生成與聚焦的電磁超表面單元，通過調整圓弧的幾何參數(shù)theta和矩形的幾何參數(shù)w，能在x方向偏振光入射時產生惠更斯共振，從而實現(xiàn)寬頻高透射率以及相位2π覆蓋，從而完成對x方向偏振的電磁波的有效調控，產生渦旋聚焦成像。
5、本專利技術還提供了一種生成上述實現(xiàn)渦旋光束高效率生成與聚焦的電磁超表面的方法，包括以下步驟：
6、(1)通過調節(jié)參數(shù)w和theta，選取具有合適的透射率和相位值的單元結構；
7、(2)利用comsol?with?matlab設定超表面單元的周期，繪制設定焦距與拓撲電荷的大尺寸模型；
8、(3)程序定義包括波長、焦距、圓弧內外徑、矩形寬度參數(shù)，程序通過以下步驟實現(xiàn)渦旋光束的生成和聚焦：
9、(3.1)極坐標轉換：將笛卡爾坐標系下的點轉換為極坐標系，以便于計算渦旋相位；
10、(3.2)渦旋相位計算：根據(jù)極坐標下的角位置，計算每個周期所處位置的渦旋相位；
11、(3.3)聚焦相位計算：計算每個周期所處位置的聚焦相位，以實現(xiàn)光束在特定焦距處的聚焦；
12、(3.4)相位合成：將渦旋相位和聚焦相位合成，得到總體相位分布；
13、(3.5)預定義相位匹配：將計算得到的總相位與預定義的單元結構仿真得到的相位值進行匹配，以找到最接近的相位值，隨后在特定周期指定位置利用預定義幾何結構參數(shù)；
14、(3.6)幾何特征構建：根據(jù)匹配結果，構建圓弧和矩形特征，通過旋轉和差集操作形成最終的電磁超表面；
15、通過上述步驟，程序設計出的超表面，能夠在保持高效率的同時，對渦旋光束進行精確的生成和聚焦。
16、本專利技術的有益效果：
17、(1)采用在電介質層上沉積上、下導電金屬層，上導電金屬層由一圓弧和一矩形組成，并關于y軸對稱的結構形式，結構簡單，方便加工制造；
18、(2)基于惠更斯超表面，利用相位突變，離散化的控制局域相位分布，有效地控制波前，摒棄了傳統(tǒng)的相位調控方法需要較大的結構尺寸的劣勢，有利于透鏡的小型化和集成化；
19、(3)采用惠更斯共振實現(xiàn)高透射率，結合緊湊的結構可以減少路徑上的損耗，因為電磁波在透鏡中的傳播路徑更短，從而減少了金屬損耗的影響，降低金屬損耗。相較于普通的共振相位調制，利用惠更斯原理進行制造，盡管金屬存在損耗，但通過精心設計的單元結構，可以實現(xiàn)高透射率，減少整體的損耗影響并獲得優(yōu)秀的渦旋聚焦效果。
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1.一種實現(xiàn)渦旋光束高效率生成與聚焦的電磁超表面單元，包括中間的電介質層，以及設置在電介質層上、下表面的上、下導電金屬層，兩導電金屬層的厚度均大于趨膚深度，其特征在于：所述上導電金屬層由一圓弧和一矩形組成，圓弧的線寬與矩形的線寬t相等，其中矩形的左端與圓弧的內壁相連，且圓弧相對矩形上下對稱，所述下導電金屬層與上電金屬層的結構、參數(shù)相同，與上導電金屬層關于y軸對稱。
2.根據(jù)權利要求1所述的實現(xiàn)渦旋光束高效率生成與聚焦的電磁超表面單元，其特征在于：該電磁超表面單元的周期為0.6mm，電介質層的厚度H為0.15mm，介電常數(shù)為2.3，兩導電金屬層沉積在電介質層的上、下表面；線寬t為0.05mm；圓弧的內徑R2為0.2mm，圓弧角theta范圍為55°～345°；矩形的寬度w范圍為0.1mm～0.45mm。
3.根據(jù)權利要求2所述的實現(xiàn)渦旋光束高效率生成與聚焦的電磁超表面單元，其特征在于：兩導電金屬層通過PCB印刷在電介質層上。
4.根據(jù)權利要求2所述的實現(xiàn)渦旋光束高效率生成與聚焦的電磁超表面單元，其特征在于：兩導電金屬層均為18um的銅板。
...【技術特征摘要】
1.一種實現(xiàn)渦旋光束高效率生成與聚焦的電磁超表面單元，包括中間的電介質層，以及設置在電介質層上、下表面的上、下導電金屬層，兩導電金屬層的厚度均大于趨膚深度，其特征在于：所述上導電金屬層由一圓弧和一矩形組成，圓弧的線寬與矩形的線寬t相等，其中矩形的左端與圓弧的內壁相連，且圓弧相對矩形上下對稱，所述下導電金屬層與上電金屬層的結構、參數(shù)相同，與上導電金屬層關于y軸對稱。
2.根據(jù)權利要求1所述的實現(xiàn)渦旋光束高效率生成與聚焦的電磁超表面單元，其特征在于：該電磁超表面單元的周期為0.6mm，電介質層的厚度h為0.15mm，介電常數(shù)為2.3，兩導電金屬層沉積在電介質層的上、下表面；線寬t為0.05mm；圓弧的內徑r2為0.2mm，圓弧角theta范圍為55°～345°；矩形的寬度w范圍為0.1mm～0.45mm。...
【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：吳肖肖，張解璇，樊佳裕，
申請(專利權)人：香港科技大學廣州，
類型：發(fā)明
國別省市：
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