井字堆疊型太赫茲波光學(xué)聚焦透鏡的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明請求保護(hù)一種井字堆疊型太赫茲波光學(xué)聚焦透鏡，涉及光學(xué)元件技術(shù)領(lǐng)域，該太赫茲波光學(xué)聚焦透鏡為透射式透鏡，透射式透鏡為鏤空結(jié)構(gòu)且具有至少三個(gè)“井”字形金屬環(huán)，其中“井”字形金屬環(huán)之間中心對齊緊貼且最大口徑尺寸沿太赫茲波的傳播方向遞減。該太赫茲波光學(xué)聚焦透鏡采用鏤空的堆疊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)聚焦功能，顯著降低了吸收損耗，提高了所傳輸太赫茲波經(jīng)過透鏡后的強(qiáng)度，減小了所傳輸太赫茲波經(jīng)過透鏡后的發(fā)散角，實(shí)施方便，易于推廣應(yīng)用。
【專利說明】
井字堆疊型太赫茲波光學(xué)聚焦透鏡
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及光學(xué)元件技術(shù)領(lǐng)域，具體是涉及一種太赫茲波光學(xué)聚焦透鏡。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲波處在微波向遠(yuǎn)紅外過渡的波段，頻率范圍為0.1THz到ΙΟΤΗζ，波長對應(yīng)范圍為3mm到30μπι。相比于其他頻段的電磁波，太赫茲波表現(xiàn)出了許多自身的特點(diǎn)和優(yōu)勢，這些特點(diǎn)和優(yōu)勢可應(yīng)用于多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域，主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面:(I)太赫茲通信，利用太赫茲波作為載波的天線尺寸較小可進(jìn)行戰(zhàn)地保密通信，且太赫茲波對煙霧的穿透性更強(qiáng)。(2)太赫茲成像，由于太赫茲輻射是非電離的，只出發(fā)分子的震蕩狀態(tài)，因此當(dāng)輻射撤離后分子的形態(tài)結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生改變。盡管如此，太赫茲波在應(yīng)用中也受到多種限制，主要是:
(I)根據(jù)太赫茲波的透射率譜可知，太赫茲波在自由空間中傳輸時(shí)，遇到水分子極易被吸收，從而造成太赫茲能量的大幅衰減。(2)太赫茲波在自由空間傳輸時(shí)，波束的發(fā)散角很大，能量輻射非常分散。以上兩點(diǎn)導(dǎo)致太赫茲波在大氣中傳輸時(shí)能量很低且傳輸距離很短，極大地限制了太赫茲波的應(yīng)用。
[0003]在太赫茲無線通信、太赫茲成像檢測等太赫茲波系統(tǒng)中，對太赫茲波進(jìn)行傳播和控制非常關(guān)鍵。由于太赫茲波在大氣中吸收嚴(yán)重，導(dǎo)致太赫茲波在自由空間傳播時(shí)發(fā)散角大、傳播距離短，因此對太赫茲波進(jìn)行聚焦尤為重要。通常采用透鏡結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)太赫茲波的聚焦，目前太赫茲波透鏡可分為反射式和透射式兩大類，其中反射式透鏡結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、尺寸較大，不適于應(yīng)用在緊湊的系統(tǒng)中，因此對透射式透鏡的研究更有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。發(fā)明人經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有技術(shù)中的透射式太赫茲波光學(xué)透鏡為介質(zhì)透鏡，介質(zhì)結(jié)構(gòu)本身對太赫茲波的吸收現(xiàn)象十分明顯，導(dǎo)致太赫茲波在經(jīng)過此類透鏡結(jié)構(gòu)后強(qiáng)度顯著降低，對太赫茲波的應(yīng)用產(chǎn)生了不利影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中由于太赫茲波光學(xué)透鏡為介質(zhì)透鏡，介質(zhì)結(jié)構(gòu)對太赫茲波的吸收現(xiàn)象十分明顯，從而導(dǎo)致太赫茲波在經(jīng)過透鏡后強(qiáng)度顯著降低，對太赫茲波的應(yīng)用產(chǎn)生了不利影響的問題。創(chuàng)新地提出了一種井字堆疊型太赫茲波光學(xué)聚焦透鏡。本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0005]—種井字堆疊型太赫茲波光學(xué)聚焦透鏡，包括透射式透鏡，所述透射式透鏡為鏤空光學(xué)結(jié)構(gòu)，透射式透鏡由M個(gè)金屬環(huán)構(gòu)成，M為大于3的正整數(shù)，所述金屬環(huán)為井字形，所述M個(gè)金屬環(huán)堆疊放置且口徑尺寸沿太赫茲波的傳播方向遞減，所述金屬環(huán)的中心均在同一直線上;所述金屬環(huán)之間粘接而形成透射式透鏡。
[0006]進(jìn)一步的，所述金屬環(huán)的井字形結(jié)構(gòu)包括設(shè)置于其中的正方形和正方形周圍的八個(gè)L型結(jié)構(gòu)組成。
[0007]進(jìn)一步的，所述金屬環(huán)的個(gè)數(shù)為4個(gè)，從前往后依次為第一金屬環(huán)、第二金屬環(huán)、第三金屬環(huán)和第四金屬環(huán)。
[0008]進(jìn)一步的，所述第一金屬環(huán)、第二金屬環(huán)、第三金屬環(huán)和第四金屬環(huán)的厚度依次為2.2mm, 1.5mm, 1.1mm, 1.0mm;金屬環(huán)的正方形環(huán)的內(nèi)邊心距依次為5.07mm，8.78mm,
11.34mm, 13.42mm;金屬環(huán)的正方形的外邊心距依次為 7.17mm, 10.14mm, 12.42mm, 14.34mm;所述井字形環(huán)上矩形塊的長度依次為8.04mm, 5.07mm, 2.79mm, 0.87mm；寬度依次為2.1Omm,1.36mm,1.08mm,0.93mm0
[0009]進(jìn)一步的，所述8個(gè)L型結(jié)構(gòu)的長度、寬度、厚度分別相等，且厚度均與正方形環(huán)的厚度相等。
[0010]進(jìn)一步的，所述井字形金屬環(huán)的材料為剛性材料，包括銅或金或者銅金合金。
[0011]進(jìn)一步的，所述井字形金屬環(huán)之間的粘合采用了對太赫茲波有強(qiáng)透過性的有機(jī)硅壓敏膠SiPSA，主要構(gòu)成成分為硅橡膠生膠、MQ樹脂及有機(jī)溶液。
[0012]進(jìn)一步的，所述井字形金屬環(huán)采用短脈沖激光切割的工藝進(jìn)行切割。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果如下:
[0014]1、在仿真過程中測試了 3、4、5、6層時(shí)的透鏡結(jié)構(gòu)聚焦性能，發(fā)現(xiàn)4層結(jié)構(gòu)時(shí)聚焦效果相對最好;之所以8個(gè)L型結(jié)構(gòu)的長度、寬度、厚度分別相等，且厚度均與正方形環(huán)的厚度相等，是為了便于結(jié)構(gòu)的制作和加工;采用短脈沖激光切割是因?yàn)樵摴に嚭啽恪⒖焖?，并且能夠很好的滿足加工精度的要求。
【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明提供優(yōu)選實(shí)施例提出的太赫茲波光學(xué)聚焦透鏡結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2是圖1的SII參數(shù)、聚焦增益、半功率波束寬度仿真曲線。
[0017]圖3是層數(shù)仿真結(jié)果示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0019]在本發(fā)明實(shí)施例的描述中，需要理解的是，術(shù)語“上”、“下”、“前”、“后”、“內(nèi)”、“外”、“中心”、“對齊”等所指示的方位或位置關(guān)系基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于簡化描述本發(fā)明實(shí)施例，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明實(shí)施例的限制。
[0020]在本發(fā)明實(shí)施例的描述中，需要說明的是，除非有另外說明的規(guī)定或限定，術(shù)語“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是機(jī)械連接，或是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通，也可以是直接相連;術(shù)語“緊貼”、“堆疊”也應(yīng)做廣義理解，下面通過舉例來說明本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】和優(yōu)點(diǎn)。
[0021]例1:如圖1所示為本發(fā)明提出的太赫茲波光學(xué)聚焦透鏡結(jié)構(gòu)示意圖，它采用4個(gè)“井”字形金屬環(huán)，按照中心對齊堆疊放置，并用膠緊貼粘合形成鏤空結(jié)構(gòu)，最大限度減少太赫茲波的傳輸損耗。
[0022]所述“井”字形金屬環(huán)由I個(gè)正方形環(huán)和8個(gè)矩形塊組成，8個(gè)矩形塊的長度、寬度、厚度分別相等，且厚度均與正方形環(huán)的厚度相等。從前往后依次為第一環(huán)1、第二環(huán)2、第三環(huán)3和第四環(huán)4，所述四個(gè)“井”字形環(huán)的厚度依次為2.2mm，1.5mm,1.1mm，1.0mm;正方形環(huán)的內(nèi)邊心距依次為5.07mm, 8.78mm, 11.34mm, 13.42mm;正方形的外邊心距依次為7.17mm,10.14mm ,12.42mm, 14.34mm;所述“井”字形環(huán)上矩形塊的長度依次為8.04mm, 5.07mm,2.79mm,0.87mm；寬度依次為2.10mm，1.36mm, 1.08mm,0.93mm。采用短脈沖激光切割的工藝，
工藝簡單，易于實(shí)現(xiàn)。
[0023]所述“井”字形金屬環(huán)的材料為銅或金或者合金組合。該材料易于取得且有利于保證透鏡結(jié)構(gòu)的剛性。
[0024]所述“井”字形金屬環(huán)之間的粘合所用膠為有機(jī)硅壓敏膠(SiPSA)，主要構(gòu)成成分為硅橡膠生膠、MQ樹脂及有機(jī)溶液。該材料易于取得且對太赫茲波有很強(qiáng)的透過性。
[0025]利用CST2015電磁仿真軟件對例I進(jìn)行測試，工作頻率范圍為320GHz-380GHz，也就是太赫茲波第一大氣傳播窗口，中心工作頻率為350GHz。
[0026]圖2(a)是例I的回波損耗曲線，由圖可知在320GHz-380GHz范圍內(nèi)回波損耗大于20dB，在340GHz處，回波損耗達(dá)到52dB，在中心工作頻率350GHz處，回波損耗為30dB。
[0027]圖2(b)是例I的掃頻增益，由圖可知在320GHz-380GHz頻率范圍內(nèi)，聚焦增益高于27.1dB，在中心工作頻率處，聚焦增益為27.7dB，最大聚焦增益出現(xiàn)在380GHz處，大小為28.4dB。本發(fā)明提出的太赫茲波光學(xué)聚焦透鏡具有很好的聚焦性能。
[0028]圖2(c)是例I的半功率主瓣寬度，由圖可知在320GHz-380GHz內(nèi)，經(jīng)本發(fā)明提出的透鏡傳輸后的太赫茲波的半功率主瓣寬度變化范圍為4.3°到5.4°，在中心工作頻率350GHz處的半功率主瓣寬度為4.3°。本發(fā)明提出的太赫茲波光學(xué)聚焦透鏡大大減小了太赫茲波傳播過程中的發(fā)散角，具有很好的方向性。
[0029]在本發(fā)明實(shí)施例中，放棄了現(xiàn)有技術(shù)中采用聚合物材料制作介質(zhì)透鏡的傳統(tǒng)方案，巧妙地選擇金屬材料，采用短脈沖激光切割的工藝，并使用膠粘的方式制作透鏡，在獲得很好的聚焦性能和方向性的同時(shí)，又具有較低的生產(chǎn)成本和靈活的結(jié)構(gòu)組成方式，為提高太赫茲波的傳輸強(qiáng)度，降低太赫茲波的發(fā)散角提供了新思路，為太赫茲波系統(tǒng)的發(fā)展及應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
[0030]在本實(shí)施方式中，每個(gè)環(huán)，包括正方形環(huán)和矩形塊的寬以X軸方向?yàn)闇?zhǔn)，每個(gè)環(huán)，包括正方形環(huán)和矩形塊的長以Y軸方向?yàn)闇?zhǔn)；以X軸的正方向?yàn)橛遥訸軸的正方向?yàn)榍啊?br>[0031]3、針對層數(shù)的仿真結(jié)果如圖3所示。
[0032]層數(shù)分別為3、4、5、6時(shí)的3(a)聚焦增益;3(b)半功率波束寬度
[0033](增益越高越好，說明透鏡的聚焦性能好，太赫茲波經(jīng)過透鏡后強(qiáng)度提高的多；半功率波束寬度越小越好，說明經(jīng)過透鏡傳播的太赫茲波方向性好，能量輻射集中。)
[0034]以上這些實(shí)施例應(yīng)理解為僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。在閱讀了本發(fā)明的記載的內(nèi)容之后，技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等效變化和修飾同樣落入本發(fā)明權(quán)利要求所限定的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種井字堆疊型太赫茲波光學(xué)聚焦透鏡，包括透射式透鏡，其特征在于，所述透射式透鏡為鏤空光學(xué)結(jié)構(gòu)，透射式透鏡由M個(gè)金屬環(huán)構(gòu)成，M為大于3的正整數(shù)，所述金屬環(huán)為井字形，所述M個(gè)金屬環(huán)堆疊放置且口徑尺寸沿太赫茲波的傳播方向遞減，所述金屬環(huán)的中心均在同一直線上;所述金屬環(huán)之間粘接而形成透射式透鏡。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的井字堆疊型太赫茲波光學(xué)聚焦透鏡，其特征在于，所述金屬環(huán)的井字形結(jié)構(gòu)包括設(shè)置于其中的正方形和正方形周圍的八個(gè)L型結(jié)構(gòu)組成。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的井字堆疊型太赫茲波光學(xué)聚焦透鏡，其特征在于，所述金屬環(huán)的個(gè)數(shù)為4個(gè)，從前往后依次為第一金屬環(huán)(I)、第二金屬環(huán)(2)、第三金屬環(huán)(3)和第四金屬環(huán)(4)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的井字堆疊型太赫茲波光學(xué)聚焦透鏡，其特征在于，所述第一金屬環(huán)(1)、第二金屬環(huán)(2)、第三金屬環(huán)(3)和第四金屬環(huán)(4)的厚度依據(jù)菲涅耳-基爾霍夫衍射理論得出依次為2.2mm, 1.5mm, 1.1mm, 1.0mm;金屬環(huán)的正方形環(huán)的內(nèi)邊心距依次為5.07mm, 8.7 8mm, 11.34mm ,13.42mm ；金屬環(huán)的正方形的外邊心距，邊心距指的是正方形的中心與邊之間的距離，內(nèi)、外邊心距針對的是正方形環(huán)，內(nèi)邊和外邊，依次為7.17mm，10.14mm，12.42mm, 14.34mm;所述井字形環(huán)上矩形塊的長度依次為8.04mm，5.07mm，2.79ι?πι，0.87mm;寬度依次為2.10mm, 1.36mm, 1.08mm,0.93mm。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的井字堆疊型太赫茲波光學(xué)聚焦透鏡，其特征在于，所述8個(gè)L型結(jié)構(gòu)的長度、寬度、厚度分別相等，且厚度均與正方形環(huán)的厚度相等。6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或5所述的井字堆疊型太赫茲波光學(xué)聚焦透鏡，其特征在于，所述井字形金屬環(huán)的材料為剛性材料，包括銅或金或者銅金合金。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的井字堆疊型太赫茲波光學(xué)聚焦透鏡，其特征在于，所述井字形金屬環(huán)之間的粘合采用了對太赫茲波有強(qiáng)透過性的有機(jī)硅壓敏膠SiPSA，主要構(gòu)成成分為硅橡膠生膠、MQ樹脂及有機(jī)溶液。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的井字堆疊型太赫茲波光學(xué)聚焦透鏡，其特征在于，所述井字形金屬環(huán)采用短脈沖激光切割的工藝進(jìn)行切割。
【文檔編號】G02B3/00GK105842761SQ201610407926
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年6月8日
【發(fā)明人】潘武, 曾威
【申請人】重慶郵電大學(xué)