[发明专利]一种高数值孔径微波超表面透镜及其设计方法

说明书

本发明涉及超表面技术领域，尤其涉及一种高数值孔径微波超表面透镜及其设计方法，该微波超表面透镜包括：N个相同的金属层，N为大于等于4的整数；各所述金属层平行间隔设置，相邻的两个所述金属层之间均设有介质层；每个所述金属层由阵列形式排布的单元结构组成，单个所述金属层为中心对称结构，同层各单元结构的传输相位从所述金属层的中心到边缘梯度渐变，不同所述金属层间沿透镜的法向排列的一组单元结构同心设置。本发明能够获得在微波频段的、高数值孔径的超表面透镜，可应用于超紧凑型的微波超透镜器件中。

技术领域

本发明涉及超表面技术领域，尤其涉及一种高数值孔径微波超表面透镜及其设计方法。

背景技术

超表面是一种平面型的、亚波长的金属或介质结构，通过周期或准周期单元阵列排布，实现对入射电磁波的灵活调控。近年来，各种基于超表面技术的超薄型器件不断发展。超表面透镜(Metalens)，或称超透镜、超构透镜，是一种超表面结构。与传统的曲面型透镜或者三维透镜相比，超透镜通过平面型的轻材质和紧凑型的单元结构，能够实现传统透镜无法实现的功能，诸如消色差等。

数值孔径(Numerical aperture，NA)是透镜的重要参数。在光学和通信频段，高数值孔径的超透镜在需要超紧凑的聚焦场合具有重要应用价值，比如光学的高分辨率成像、小型化成像仪和探测器等等。但目前，在微波频段的超透镜通常数值孔径十分有限，限制了其在超紧凑型的微波超透镜器件中的应用。

发明内容

本发明的目的是针对上述至少一部分不足之处，提供一种适用于微波频段的、高数值孔径的超表面透镜及其设计方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种高数值孔径微波超表面透镜，包括：

N个相同的金属层，N为大于等于4的整数；

各所述金属层平行间隔设置，相邻的两个所述金属层之间均设有介质层；

每个所述金属层由阵列形式排布的单元结构组成，单个所述金属层为中心对称结构，同层各单元结构的传输相位从所述金属层的中心到边缘梯度渐变，不同所述金属层间沿透镜的法向排列的一组单元结构同心设置。

可选地，每个所述金属层的单元结构为双开口谐振环，且N大于等于5。

可选地，每个所述金属层的单元结构为蚀刻的正方形环。

可选地，(N-1)个所述介质层的材质相同，且尺寸相同。

可选地，所述介质层的厚度h小于λ/10，λ为入射电磁波的工作波长。

可选地，所述介质层的材料为特氟龙或泡沫。

本发明还提供了一种高数值孔径微波超表面透镜设计方法，用于设计上述任一项所述的高数值孔径微波超表面透镜，包括如下步骤：

获取待设计的微波超表面透镜中金属层的单元结构的几何构型，得到金属层的几何构型；

将所述金属层的个数设为变量N，得到所述微波超表面透镜的厚度H，其中厚度H为变量N的函数；

通过单元结构传输特性确定所述微波超表面透镜的等效折射率n_m、所述微波超表面透镜所在的空间介质的等效折射率n_b、入射电磁波的传输波矢k₀，结合厚度H，计算所述微波超表面透镜中各单元结构组的传输相位的分布；其中，一个所述单元结构组包括N个不同金属层间沿透镜的法向排列的单元结构；

基于传输相位的分布以及预设的阵列尺寸D，确定微波超表面透镜的焦距F；

根据阵列尺寸D和焦距F，得到微波超表面透镜的最大入射偏折角θ；

根据等效折射率n_b和最大入射偏折角θ，计算微波超表面透镜的数值孔径；