[發(fā)明專利]一種用于發(fā)散太赫茲波聚焦的太赫茲單透鏡及其設計方法

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• 申請日: 2022-02-28
• 公開（公告）號: CN114527568A
• 公開（公告）日: 2022-05-24
• 發(fā)明（設計）人: 李惟帆;祁峰
• 申請（專利權）人: 中國科學院沈陽自動化研究所
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00;G02B3/00;G02B1/00
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 周宇

本發(fā)明涉及一種用于發(fā)散太赫茲波聚焦的太赫茲單透鏡及其設計方法，單透鏡表面形狀為雙凸面，可以對發(fā)散的太赫茲波進行聚焦，其作用相當于一組準直聚焦透鏡。單透鏡太赫茲波入射表面的曲面參數(shù)根據(jù)實際太赫茲波發(fā)散角優(yōu)化，實現(xiàn)單透鏡通光孔徑的充分利用，有助于節(jié)省透鏡材質(zhì)成本和減小太赫茲波吸收損耗。此外單透鏡兩個凸面都進行了像差優(yōu)化。發(fā)散的太赫茲波通過本發(fā)明的單透鏡進行聚焦，可以獲得質(zhì)量好、位置準確的聚焦光斑。本發(fā)明的單透鏡對單一頻點或寬頻帶太赫茲波均適用，相比傳統(tǒng)的聚焦準直透鏡組，具有結構緊湊、穩(wěn)定性高、對太赫茲波損耗小、成本低等優(yōu)勢。

技術領域

本發(fā)明涉及太赫茲技術領域，具體地說是一種用于發(fā)散太赫茲波聚焦的太赫茲單透鏡及其設計方法。

背景技術

太赫茲波是頻率為0.1～10THz范圍的電磁波，該波段在電磁波譜上處于微波和紅外波段之間，同時也是宏觀經(jīng)典理論與微觀量子理論的過渡區(qū)。因此，太赫茲波具有瞬態(tài)性、寬帶性、相干性、低能性等獨特性質(zhì)。太赫茲波近年來在波譜和成像領域得到了廣泛應用，并且已經(jīng)被證明在前沿科學研究和工業(yè)應用中有著巨大潛力。

太赫茲波的波長是亞毫米尺度，其相比可見光波段，具有更強的衍射發(fā)散效應。因此，無論是電學太赫茲波源，還是光學太赫茲波源，太赫茲波產(chǎn)生后都是發(fā)散傳播的。在太赫茲成像或波譜分析等應用中，我們需要對太赫茲波進行波束整形使其聚焦，通常都是由1個準直器件和1個聚焦器件組合實現(xiàn)。常用的太赫茲波整形器件包括拋物面反射鏡、折射透鏡和菲涅爾透鏡。這三種器件各有特點。其中，拋物面反射鏡的優(yōu)點是反射鏡面鍍有金膜，對太赫茲波幾乎沒有損耗。缺點是改變太赫茲波傳播方向，降低系統(tǒng)穩(wěn)定性，通光孔徑和焦距選擇較為固定，定制化設計加工困難，金膜易污損等；折射透鏡的優(yōu)點是結構簡單穩(wěn)定性高、定制化設計加工方便、成本低，缺點是透鏡厚度大可能導致太赫茲波吸收增強；菲涅爾透鏡的優(yōu)點是透鏡厚度薄，對太赫茲波吸收小，缺點是透鏡只適用于單一頻點，加工復雜，不適用于寬頻帶太赫茲波。

此外，目前常用的商用太赫茲波整形器件普遍存在像差和焦移問題，而導致太赫茲波準直聚焦后焦平面光斑質(zhì)量差，焦點位置偏差大等問題，嚴重影響太赫茲系統(tǒng)的工作效率，例如降低太赫茲成像系統(tǒng)的圖像分辨率和對比度，或者降低太赫茲波譜測試系統(tǒng)的信噪比和動態(tài)范圍等。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術及產(chǎn)品的不足，本發(fā)明提供一種用于發(fā)散太赫茲波聚焦的太赫茲單透鏡，能夠對發(fā)散的太赫茲波進行整形使其聚焦。本發(fā)明的單透鏡可以實現(xiàn)并優(yōu)于一組商用太赫茲波準直和聚焦器件。本發(fā)明適用于任何需要對發(fā)散太赫茲波進行聚焦的太赫茲系統(tǒng)。

本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的技術方案是：

一種用于發(fā)散太赫茲波聚焦的太赫茲單透鏡的設計方法，所述透鏡為雙面凸透鏡，所述設計方法包括以下步驟：

S1：在三維坐標系原點設置太赫茲波發(fā)射源，在所述發(fā)射源沿著所述三維坐標系的z軸一側設置焦點；

S2：在所述發(fā)射源與焦點之間，沿所述z軸依次設置第一曲面、第二曲面；所述發(fā)射源發(fā)出太赫茲波經(jīng)過所述第一曲面折射后入射至所述透鏡內(nèi)，再經(jīng)過第二曲面折射后形成出射太赫茲波，匯聚至所述焦點；

S3：將所述第一曲面、第二曲面的端緣封閉形成雙面凸透鏡；

S4：設計第一曲面、第二曲面的表面參數(shù)，對兩個凸面進行像差優(yōu)化。

所述單透鏡的材料為聚合物或半導體材料。

所述步驟3中是采用非光學平面封閉所述第一曲面、第二曲面的端緣。

所述第一曲面、第二曲面的表面參數(shù)包括：通光孔經(jīng)、頂點曲率半徑。

所述單透鏡的通光孔徑依據(jù)入射太赫茲波發(fā)散角和所述前焦距設計；所述前焦距為太赫茲波發(fā)射源到所述第一曲面頂點的距離。

所述第一曲面的頂點曲率半徑依據(jù)所述前焦距和所述材料的折射率設計。