[发明专利]一种焦距可调的太赫兹石墨烯超表面透镜及设计方法

权利要求书

1.一种焦距可调的太赫兹石墨烯超表面透镜的设计方法，其特征在于，所述透镜包括三层结构，金属栅层(1)、介质层(2)以及石墨烯微结构层(3)；所述石墨烯微结构层(3)与所述金属栅层(1)间设有偏置电压控制装置(4)，用于改变石墨烯的电导率；所述金属栅层(1)为均匀一维线栅；所述石墨烯微结构层(3)为石墨烯矩形单元构成的x-y平面二维阵列；石墨烯矩形单元的长度、宽度以及与所述金属栅层(1)的夹角随单元位置而发生改变，可提供随空间变化的相位梯度，对正交线偏振光进行汇聚；通过改变单元的排列顺序，可使焦距随石墨烯费米能级进行动态调控，也可使焦距随石墨烯费米能级保持不变；设计方法的具体内容如下：

(a)设定透镜的工作波长λ，确定所述金属栅层(1)的结构，使所述金属栅层(1)周期A小于λ/10，选择合适的栅宽度W，通过数值仿真确认所述金属栅层(1)对垂直于栅的偏振光具有99%以上的透过率，对平行于栅的偏振光的透过率几乎为零；

(b)将石墨烯的费米能级固定为E_F1，对石墨烯矩形单元的周期P、长度L、宽度S和取向角α进行扫描，分析具有不同石墨烯尺寸的三层单元将x偏振入射光转为y偏振出射光的能力，从中选出8个结构单元，使它们的y偏振透过率最高，同时使y偏振出射光的相位依次延迟π/4；

(c)步骤(b)中选出的8个单元有4个相互独立，y偏振透射光的相位分别为,另外4个单元和前4个单元相对于所述金属栅层(1)方向镜像对称，y偏振透射光的相位分别为；

(d)分析石墨烯的费米能级为E_F2时，4个独立的结构单元对y偏振出射光的相位改变，在4个单元中找出相位变化最大和最小的单元；

(e)设定在石墨烯费米能级为E_F1时，透镜的焦距为F，透镜表面的相位分布应该满足

(1)

其中x，y是超表面单元所在位置的坐标点；将Φ(x,y)离散化为0到7π/4的8个相位点，将8个单元填充在超表面阵列中，实现所需的相位分布，Φ₀对应中心单元的相位；

(f)分别将步骤(d)中相位变化最小的单元和相位变化最大的单元放置于透镜的中心，构成两个超表面透镜，式(1)中的Φ₀对应该中心单元在石墨烯费米能级E_F1时的相位，两个超表面透镜的焦距随费米能级实现不同的调控特性，前者焦距随费米能级增大而单调减小，后者焦距几乎不随费米能级的变化而变化。

2.根据权利要求1所述的焦距可调的太赫兹石墨烯超表面透镜的设计方法，其特征是：所述金属栅层(1)的光栅常数小于波长的十分之一，在太赫兹波段具有很强的偏振选择特性，光栅沿y方向均匀延伸，分别对x偏振光和y偏振光具有高透射和高反射特性。

3.根据权利要求1所述的焦距可调的太赫兹石墨烯超表面透镜的设计方法，其特征是：石墨烯矩形单元(3)的取向与x轴夹角在35°-45°之间或135°-145°之间，线偏振光从所述金属栅层(1)一侧入射，且偏振方向，即x方向，与所述金属栅层(1)垂直，石墨烯单元的长宽不对称性导致部分光波转变为y偏振而输出，石墨烯层与所述金属栅层(1)间相对于y偏振光构成法珀腔，使最终出射的y偏振分量透过率提高。

4.根据权利要求1所述的焦距可调的太赫兹石墨烯超表面透镜的设计方法，其特征是：一个超表面单元中包含一个石墨烯矩形结构和多个所述金属栅层(1)结构，石墨烯结构和所述金属栅层(1)结构间无需精确对准。

5.根据权利要求1所述的焦距可调的太赫兹石墨烯超表面透镜的设计方法，其特征是：所述介质层(2)材料为SiO₂，折射率为在所选波长下为1.96，所述金属栅层(1)材料为PEC。

6.根据权利要求1所述的焦距可调的太赫兹石墨烯超表面透镜的设计方法，其特征是：石墨烯超表面层费米能级调节范围为0.5eV至0.8eV。