超薄太赫兹长焦深透镜的设计、制作和表征

【摘要】近年来,随着太赫兹源和探测技术的快速发展,再加上太赫兹波所具备的一些独特的性质,比如相干性、低能量、指纹谱等,太赫兹科学正成为一个新兴的研究领域,引起了人们广泛的研究兴趣。另一方面,长焦深透镜可以在一定的焦深范围内形成聚焦,因而在光耦合、光成像、光互连、光通信等方面有着非常重要的应用。本论文力图将二者结合起来,在太赫兹波段设计一种长焦深透镜,实现较长轴向范围内的聚焦功能。按照传统的设计理念,光学元件的相位调制是通过光程差的积累引起的,所设计的衍射光学元件的厚度跟入射光波的波长基本相当。由于太赫兹波的波长较大,大约为几百微米,故太赫兹波段的光学元件尺寸较大,不利于系统的轻型化和集成化。金属——介质层状结构、电磁谐振腔、金属纳米簇和等离子体天线等结构中。特别是,通过研究空气—金属亚波长表面结构对入射光波的相位调制规律,总结出了一般化的反射和折射定律,并通过实验验证了这一定律的正确性。这种金属亚波长表面结构可以对入射光的相位进行突变调制,不依赖于光学元件的厚度,其基本原理是电磁场的共振效应。这种新颖的表面被称为超表面。基于这种超表面的光学元件的最大优势在于其厚度很小,大约为50～100nm,相比于传统光学元件的厚度降低3个数量级。利用这种超表面结构对相位的突变调制特性,我们设计了超薄太赫兹长焦深透镜。本论文主要的工作及所取得的成果如下：(1)对长焦深透镜的相位分布进行设计。利用杨-顾算法,在长焦深区域范围内,选取多个横截面,进行迭代逼近,得出光学元件在输入面上最优化的相位分布。对所设计的相位分布,理论分析表明,所设计的长焦深透镜的焦深为8.40mm,而相同孔径、相同焦距的常规透镜的焦深仅为2.41mm。(2)超表面天线结构的设计。很显然,在这种超表面结构中,天线的设计十分重要。为此,利用商业CONCERTO软件进行数值模拟,通过改变V-型狭缝天线的长度和夹角,选取了八种不同的天线结构,它们对入射光波的调制振幅基本相同,但调制相位在0～2π范围内每隔π/4均匀分布。这八种天线结构类似于衍射光学元件中所选取的八阶量化结构。根据步骤(1)中得到的相位分布,进行八阶量化,并在各量化相位处放置对应的天线结构,形成所设计的超薄太赫兹长焦深透镜。(3)超薄太赫兹长焦深透镜的制备。首先,在500μm厚的高阻硅基底上,采用紫外光刻方法曝光出所设计的图形；然后,采用电子束蒸发工艺镀上100nm的薄层金属膜,并用厚度约3nm左右的铬或钛作为黏附过渡层增加金薄膜与基底的粘附性；最后,将基片置入丙酮溶液(可采用超声辅助),完成剥离过程。光学显微镜的结果表明,所制作的超薄太赫兹长焦深透镜的刻蚀误差较小、表面光洁度较好。(4)超薄太赫兹长焦深透镜的实验表征。利用太赫兹准近场焦平面成像系统,对所制作的超薄太赫兹长焦深透镜,测量了其聚焦性能。首先,测量了其沿光轴方向的光强分布,实验结果表明,长焦深透镜的实际焦深为8.96mm,与理论预测结果基本吻合。其次,在长焦深区域内的不同轴向位置处,测量了多个横向截面上的光强分布,研究发现,该透镜在长焦深区域内具有较高的横向聚焦分辨率。最后,测量了超薄太赫兹长焦深透镜的色散特性,实验结果表明,在200GHz频谱范围内,该透镜保持了较好的长焦深特性。
【作者】姜晓燕；
【导师】叶佳声；
【作者基本信息】首都师范大学，光学工程，2014，硕士
【关键词】长焦深透镜；杨——顾算法；超表面；太赫兹准近场焦平面成像系统；

【参考文献】
[1]安玉静.热窄带卷多卷打捆机液压控制系统研究[D].燕山大学,机械电子工程,2014,硕士.
[2]邓渭贤,朱润良,陈情泽,葛飞,许银.废弃膨润土制备碳纳米材料及其吸附性能[J].环境化学,2014,11:1936-1940.
[3]王学伟,瞿海斌,王阶.一种基于数据挖掘的中医定量诊断方法[J].北京中医药大学学报,2005,01:4-7.
[4]赖政剑.车载雾天能见度测试及安全预警方法研究[D].吉林大学,载运工具运用工程,2013,硕士.
[5]康晓楠.《资本论》中的经济伦理思想研究[D].河北大学,马克思主义哲学,2014,硕士.
[6]马银斌.Survivin在人乳腺癌中的表达及As_2O_3的抑制作用[D].重庆医科大学,外科学,2004,硕士.
[7]张洋洋.体验学习理论视角下高职综合实践课程实施的研究[D].河北师范大学,职业技术教育学,2013,硕士.
[8]李义帅.塞来昔布对食管癌组织中FSTL1、CDH13、TFPI2基因启动子甲基化状态、mRNA表达及细胞凋亡的影响[D].河北医科大学,外科学,2014,硕士.
[9]高键,姜长生,李众.一种新的云模型控制器设计[J].信息与控制,2005,02:157-162.
[10]许皓,李彦,谢静霞,程磊,赵彦,刘冉.光合有效辐射与地下水位变化对柽柳属荒漠灌木群落碳平衡的影响[J].植物生态学报,2010,04:375-386.
[11]李建华.饮用水水源地清洁小流域坡面养分流失防控措施配置与效益评价[D].山东师范大学,自然地理学,2013,硕士.
[12]王利超.基于单片机C8051F020太阳导入器的研究[D].北京交通大学,光学工程（专业学位）,2013,硕士.
[13]严燕汝.敦煌本《老子》俗字研究[D].南京师范大学,汉语言文字学,2012,硕士.
[14]曹湘禹.苯酚羟化酶基因工程菌合成靛蓝及其同系物的特性研究[D].大连理工大学,环境工程,2013,硕士.
[15]孙珑玥.中国当代观念摄影的本土化困境与应对之策[D].西安美术学院,美术学,2014,硕士.
[16]朱春毅,邢卫宏,李挺,汪洋,马京梅.太钢推式酸洗机组全交流电机传动控制系统[J].冶金自动化,2001,04:51-53+57.
[17]陈红书.SAC包装有限公司存货管理改进方案[D].广东财经大学,工商管理（专业学位）,2014,硕士.
[18]杨勤勇,常鉴,徐国庆.灰岩裸露区地震激发机理研究[J].石油地球物理勘探,2009,04:399-405+528+379.
[19]刘家诚,林涛,李笃.城镇宅地权——关于完善我国住房保障体系的思考[J].经济体制改革.2006(01)
[20]李方成.插值两条Bezier曲线的可展曲面构造与近似[D].哈尔滨工业大学,机械电子工程,2013,硕士.
[21]高囡.MoS_2/C复合物制备及在染料敏化太阳能电池对电极中应用[D].大连理工大学,2013.
[22]孔建辉.西安市公共交通总公司发展战略研究[D].西北大学,高级工商管理（EMBA）（专业学位）,2012,硕士.
[23]韩思亮.基于直流变换器的逆变器拓扑和滑模控制技术研究[D].浙江大学,2005.
[24]马壮,杨善林,胡小建.贝叶斯网结构学习的研究现状及发展趋势[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2005,08:833-838.
[25]师周戈.雁门关生态畜牧区标准化养殖研究[D].西北农林科技大学,作物,2012,硕士.
[26]高阁.高更风景绘画艺术研究[D].河北大学,美术学,2014,硕士.
[27]宋海娟.回眸2013，为高新区发展点“赞”[N].唐山劳动日报,2014-01-03001.
[28]肖训能.非此即彼的“隐秘”之思[D].海南大学,外国哲学,2014,硕士.
[29]张诚.聚乳酸—乙醇酸共聚物的降解性能研究[D].北京服装学院,材料学,2012,硕士.
[30]王荷芳.劳动者就业中存在的基因歧视相关法律问题研究[D].兰州大学,经济法（专业学位）,2013,硕士.
[31]安莹.汉语转喻的语境依赖性及其英译方法[D].南京航空航天大学,英语语言文学,2013,硕士.
[32]蒋海亮.公司设立若干法律问题研究[D].湖南大学,经济法,2003,硕士.
[33]常宇春.基于多路径双向拍卖的无线传感器网络路由协议设计[D].苏州大学,计算机技术（专业学位）,2013,硕士.
[34]杨栋林.西安软件产业集群竞争力研究[D].西北大学,产业经济学,2013,硕士.
[35]刘似臣.我国加工贸易的产业升级效应研究[J].统计研究,2005,02:31-34.
[36]漆胜楠.信号基于相关字典下的稀疏变换[D].哈尔滨工业大学,应用数学,2014,硕士.
[37]李圆圆.企业所得税与红利税对融资结构影响的实证研究[D].河北经贸大学,会计学,2013,硕士.
[38]张叶涵.非市场资源、战略能力与企业绩效关系研究[D].复旦大学,企业管理,2013,博士.
[39]张玉盼.德州市城区初中体育教师职业道德现状及对策研究[D].华中师范大学,体育教学,2014,硕士.
[40]王康.珠江骨干水库统一调度管理信息系统分析与设计[D].华南理工大学,计算机技术,2012,硕士.
[41]庄芸.MMP-1、MMP-2及其抑制剂在肺癌中的表达与临床意义[D].苏州大学,内科学,2003,硕士.
[42]陈志强.建设工程招投标评标方法改进研究[D].浙江工业大学,项目管理,2012,硕士.
[43]陈晨.《冷战东方主义：1945-1961年中产阶级构想中的亚洲》（第四章）翻译实践报告[D].宁夏大学,翻译（专业学位）,2014,硕士.
[44]桂松华.论夫妻共同债务[D].南昌大学,法律（专业学位）,2012,硕士.
[45]崔海港.压缩感知技术及其在语音信息隐藏中的研究[D].北方工业大学,信号与信息处理,2014,硕士.
[46]白静茹.挪威船舶买卖格式合同中卖方义务研究[D].大连海事大学,法学,2013,硕士.
[47]刘小群.ATM激酶在CpG ODN增强X射线诱导A549细胞G2/M期阻滞和凋亡中的作用研究[D].复旦大学,肿瘤学,2012,硕士.
[48]陈忠维.相依重尾索赔下风险模型的有限时间破产概率[D].大连理工大学,金融数学与保险精算,2013,硕士.
[49]朱剑.基于移动平台的水域突发污染溯源研究[D].浙江大学,检测技术与自动化装置（专业学位）,2014,硕士.
[50]陈德旺.从李小文到张益唐,究竟何为大师[J].科技导报,2015,08:128.