[发明专利]一种焦距可调的太赫兹透镜及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种焦距可调的太赫兹透镜及其制备方法和应用，其包括相对设置的第一基板和第二基板以及液晶层，第二基板靠近第一基板的一侧设有介质超构表面层，液晶层设置于第一取向层和第二取向层之间；第一取向层和第二取向层具有相同的取向方向，均为沿着入射太赫兹波的偏振方向的均一取向；液晶层的取向方向被上述取向层诱导，与上述取向层取向方向相同。本发明将液晶作为介质超构表面透镜的环境介质，通过加电调节液晶的晶轴指向方向，从而改变介质超构表面透镜的环境折射率，从而实现透镜焦距的动态连续改变，该动态功能可实现多功能的可调太赫兹超构透镜，解决了现有技术中太赫兹器件功能和应用单一的技术问题。

技术领域

本发明涉及一种光学透镜及其制备方法和应用，特别是涉及一种焦距可调的太赫兹透镜及其制备方法和应用。

背景技术

在电磁波谱上，太赫兹(THz)波段位于微波和红外波段之间，是电子学和光子学之间的过渡频段。曾因为对应的产生和探测技术的限制，这个波段成为波谱上最难捉摸的“太赫兹间隙”，也是最后一个没有被充分开发的波段。直到高功率太赫兹源和灵敏太赫兹探测器的出现开启了太赫兹的一系列潜在应用研究，如材料诊断、半导体表征、层析成像等，使太赫兹的研究从冷门变成引人注目的热点。该波段具有以下独特性质：太赫兹波的光子能量低，只有X射线的百万分之一，不会对生物组织产生电离的损害；很多材料和生物大分子的特征吸收，及分子间弱相互作用吸收都处于太赫兹频带，称为太赫兹“指纹谱”；太赫兹波在许多非金属、非极性材料中的吸收率较小，透过率较高，因此可用于探测这些材料内部的信息。上述特点让太赫兹成像技术在非接触式人体安检、工业产品无损探伤等领域有着广阔的应用前景。

透镜是太赫兹成像系统中不可或缺的基础元件。常见的太赫兹透镜是由弯曲曲面的晶体或聚合物构成，依赖太赫兹波在透镜中传播相位的累积实现聚焦效果，是一种折射光学元件。这种器件笨重体积大，无法满足太赫兹系统集成化小型化的趋势。与传统的相位累积方法不同，近年来新兴的超构透镜(metalens)能够通过设计亚波长的金属或介质谐振单元来引入突变相位用于波前操控。迄今报道的超构透镜已实现超分辨率聚焦、宽带消色差聚焦、自旋选择聚焦等多种功能。与金属超构表面相比，介质超构表面具有更高的调制效率和与CMOS兼容的制造性能，使其具有更广阔的应用前景。普通超构透镜的功能是静态的，不能满足各种实际应用的要求。近年来，将超构表面与半导体、石墨烯、相变材料、超导体等功能材料相结合，实现超构表面的主动调谐已经成为研究的一大热点。然而，大多数的可调超构表面的结构单元都是均一的，使得它们的功能局限于光谱调谐，而不是动态的波前控制；进一步开发可调谐波前调控器件，例如外场可调的变焦透镜，对太赫兹成像应用具有极大的现实意义。

但是，目前的焦距可调的太赫兹透镜在功能上仅是双焦点之间的动态切换，不能进行焦距的连续调谐；在原理上是液晶波片和超表面透镜的级联，体积较大，不利于太赫兹光学系统的集成。因此，急需一种可以进行焦距连续可调，高度集成化的太赫兹透镜。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种焦距可调的太赫兹透镜，其集成液晶和超构表面，该透镜可以实现不同焦距的连续动态调谐；本发明的目的之二是提供一种焦距可调的太赫兹透镜的制备方法；本发明的目的之三是提供一种焦距可调的太赫兹透镜的应用。

技术方案：本发明的一种焦距可调的太赫兹透镜，包括相对设置的第一基板和第二基板以及位于所述第一基板和第二基板之间的液晶层；第一基板朝向第二基板的一侧设有第一取向层，第二基板朝向第一基板的一侧设有第二取向层，第二取向层和第二基板之间设有介质超构表面层；

所述第一取向层和第二取向层具备相同的取向方向，均为沿着入射太赫兹波的偏振方向的均一取向；所述液晶层设于第一取向层和第二取向层之间，液晶层中液晶分子的取向方向为沿着入射太赫兹波的偏振方向的均一取向。

即当入射太赫兹波的偏振方向为x方向时，第一取向层和第二取向层均沿着x方向的均一取向，进而诱导液晶分子进行取向；而液晶层中液晶分子的取向方向为沿着x方向的均一取向。