[发明专利]一种偏振不敏感太赫兹掺杂半导体超材料透镜

说明书

本发明公开了一种偏振不敏感太赫兹掺杂半导体超材料平板透镜，其特征在于：所述超材料平板透镜是由多个圆中心对称分布的亚波长掺杂半导体单元构建的超材料制成的平板透镜，所述平板透镜的上下二半部分掺杂半导体的掺杂浓度都不相同，上半部分掺杂半导体的掺杂浓度从内到外呈梯度递增，下半部分掺杂半导体的掺杂浓度从内到外呈梯度递减。本发明是由多个圆中心对称分布的亚波长掺杂半导体单元构建的超材料制成的平板透镜，通过半导体掺杂浓度的梯度变化实现透镜的相位渐变，其结构形状简单，易于设计，且性能参数调控范围更广，具有更强的偏振不敏感性。

技术领域

本发明涉及光学器件技术领域，更具体地讲，尤其涉及一种半导体超材料透镜。

背景技术

光或者电磁波在人类社会发展中一直占据着举足轻重的地位。在电磁波谱中，通常把波长在0.1mm ~ 1mm范围的电磁波称为太赫兹波段电磁波（也称之为：亚毫米电磁波）。太赫兹波是一种处于无线电波与红外波之间的电磁波，由于自然界物质与太赫兹电磁波的相互作用十分微弱，目前，这一波段的光学元器件和及其实际应用还有待开发，故又称之为“太赫兹空隙”波段。

传统透镜是通过塑造透镜的形状从而改变光程差来实现成像的，加工要求普遍苛刻，而且难以满足集成化、微型化的现代化要求。此外，传统透镜还受到衍射极限的限制，无法实现更高分辨率成像。通过对自然界物质的裁剪、加工得到的一类人工材料（超材料）可具备自然界物质难以甚至无法具备的一些光学性质，如负折射率、旋光性、类电磁感应透明和超吸收等奇异的光学性质。这类超材料在太赫兹波段光学元器件（如透镜）方面有着广泛的应用前景。

当前多数超材料的是由金属如金、银和铜等物质是构成，然而金属自身过高的焦耳损耗严重影响着这类金属基超材料元器件的性能。本征半导体和陶瓷等低损耗介质类物质也可用于构建太赫兹超材料（介质基超材料），但其内部电磁共振强度太微弱，导致介质基超材料元器件的性能普遍较低。此外，现有超材料透镜中的共振单元通常是一种非圆心对称结构，导致现有超材料透镜成像只能局限于一种或两种特殊偏振态的电磁波，因此，极大地限制了超材料透镜的应用范围。

众所周知，掺杂半导体作为新型等离子材料重要分支之一，其物理性质游离于金属和介质之间，在太赫兹波段的光学损耗远低于金属，实际上也可用于构建损耗较低的超材料；与此同时，还可用于制备片上集成型光学透镜等元器件。为解决这些问题，本发明设计了偏振不敏感太赫兹掺杂半导体超材料透镜，不仅填补了太赫兹波段聚焦成像平板透镜的空白，也为其它偏振不敏感低损耗太赫兹超材料元器件设计提供了一种新思路，对未来高性能、集成型光学元器件设计开发具有重要意义。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种偏振不敏感太赫兹掺杂半导体超材料平板透镜。

本发明采用的技术方案是：一种偏振不敏感太赫兹掺杂半导体超材料平板透镜，其特征在于：所述超材料平板透镜是由多个圆中心对称分布的亚波长掺杂半导体单元构建的超材料制成的平板透镜，所述平板透镜的上下二半部分掺杂半导体的掺杂浓度都不相同，上半部分掺杂半导体的掺杂浓度从内到外呈梯度递增，下半部分掺杂半导体的掺杂浓度从内到外呈梯度递减。

所述平板透镜的上半部分的掺杂浓度从内到外分别为1×10²³m^-3、 1.5×10²³m^-3、2×10²³m^-3、 4×10²³m^-3、 1.2×10²⁴m^-3；下半部分的掺杂浓度从内到外分别设为9.5×10²²m^-3、8.5×10²²m^-3、 8×10²²m^-3、 6×10²²m^-3、 9.6×10²¹m^-3。