[发明专利]一种3D打印的透射式大角度偏折双层均匀光栅

说明书

本发明涉及一种3D打印的实现高效率透射式大角度偏折的双层均匀光栅，属于新型人工电磁材料和太赫兹科学技术领域。本发明的结构包括三层，下层为均匀介质光栅（1），中间为介质间隔层（2），上层为与下层同周期但不同占空比的均匀介质光栅（3）。每个周期内上下层均仅包含一个栅条结构，且上下栅条的一侧保持平齐，构成不对称的双层光栅。通过适当选取光栅的周期及内部栅条尺寸，可将垂直入射的亚太赫兹波高效率地透射并偏折到接近光栅表面的大角度方向。本发明易设计、易加工，可利用3D打印技术快速成型，成本低，为极端亚太赫兹功能器件的发展提供了新方案。

技术领域

本发明涉及一种3D打印的透射式大角度偏折双层均匀光栅，属于新型人工电磁材料和太赫兹科学技术领域。

背景技术

对波束方向的控制是各种光学系统的基本功能之一。大角度的波束偏折是实现大数值孔径透镜、提高光谱分辨率等应用的物理基础，传统元件中波束的偏折方向由斯涅尔定律决定，而由亚波长结构单元构成的超表面作为一种可设计的边界阻抗，对波束方向的任意控制提供了新的思路，进而发展出了基于超表面的广义斯涅尔定律。如何设计亚波长单元的形状和尺寸以满足所需的阻抗是能否实现相关功能的关键。

研究表明，实现完美波束偏折对应的阻抗需要在超表面不同位置引入增益和损耗，且随着偏折角度的增大，阻抗随空间位置的变化逐渐剧烈。因此Epstein等人提出借助疏逝波和泄漏波控制近场能量的局域增强与损耗，且采用密集的结构单元排布来捕捉剧烈的阻抗变化，最终实现近乎完美的大角度波束偏折【Phys. Rev. Lett. 117, 256103(2016)】。该思路设计复杂，对加工精度要求高，实验报道仅局限于微波波段。

由Alu等人提出的超光栅概念从控制能量在各衍射级的分布这一角度为大角度波束偏折提供了新思路【Phys. Rev. Lett. 119, 067404 (2017)】。超光栅的一个周期可以由很稀疏的结构单元构成，比如仅采用两个金属单元构成的反射式光栅可以在24GHz将波束偏折至-1衍射级对应的72.5°，效率大于90%【Phys. Rev. X 8, 011036 (2018)】。透射式光栅需要在波束偏折的同时避免反射，实验报道的偏折效率稍低。采用Si等高折率材料构成周期性不对称二聚体，在可见光波段实现了80°偏折，效率为40%【Nano Lett. 18, 2124-2132 (2018)】，在近红外波段实现了效率为75%的75°偏折等【Nano Lett. 17, 3752-3757(2017)】。然而在无线通信和安检成像等应用高度关注的亚太赫兹频段，硅基光栅的微加工工艺无法实现所需的厚度，高效率的透射式大角度偏折光栅未见报道。

发明内容

发明目的：本发明提出一种可3D打印的高效率透射式大角度偏折器，由两层均匀介质光栅构成，工作于亚太赫兹频段。

为实现上述目的，本发明的结构沿着光的传播方向包括三层，下层为均匀介质光栅（1），中间为介质间隔层（2），上层为与下层同周期但不同占空比的均匀介质光栅（3）。

进一步的，本发明中所用材料的选择需要在工作频段吸收系数小，例如聚乳酸、高密度聚乙烯、聚苯乙烯等在0.14THz附近吸收系数很小。

进一步的，本发明中所用的聚合物材料在亚太赫兹频段的折射率为1.5-1.6左右。

进一步的，本发明中双光栅和介质间隔层均为同一种聚合物材料，通过3D打印一次成型。

进一步的，上下层光栅的周期相同。

进一步的，上下层的每个周期内仅包含一个栅条结构。

进一步的，每个周期内上下层的栅条保持一边对齐，例如右边对齐，左边不对齐。

该结构的基本功能是将入射的亚太赫兹波束高效率地透射并偏折到接近光栅表面的大角度方向。

为实现该功能，双层光栅的具体设计步骤如下：