一種基於超材料的折射率梯度平板聚焦透鏡的製作方法

2023-10-10 20:22:44 1

一種基於超材料的折射率梯度平板聚焦透鏡的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於超材料的折射率梯度平板聚焦透鏡，是由圓盤狀切片組合而成的圓柱形結構。傳統聚焦透鏡大多基於曲面結構，曲面給透鏡的製造增加了難度。如果透鏡的折射率具有圓柱坐標下徑向梯度，則可以在實現相位修正的同時，保持交界面為平面，這就是一種折射率梯度透鏡。超材料也稱為新型人工電磁材料具有新穎特性，可以利用它製作出平板透鏡。首先利用幾何光學法的相關公式計算出平板透鏡折射率的分布，然後選擇新型人工電磁材料作為結構單元，實現透鏡折射率的梯度分布。此外，得益於新型人工電磁材料的優異特性，此平板聚焦透鏡還具有穩定性高，損耗小，工作頻帶寬等優良性能。
【專利說明】一種基於超材料的折射率梯度平板聚焦透鏡

【技術領域】
[0001] 本發明屬於微波成像領域，涉及一種微波三維聚焦裝置。

【背景技術】
[0002] 傳統意義上的透鏡一般由均勻折射率的媒質構成，傳統透鏡與空氣的交界面具有 特定的曲面。在光學波段，透鏡由硬質玻璃或石英製成，其曲面需要特殊的打磨加工。在微 波頻段，透鏡一般由人工樹脂或者聚苯乙烯等材料利用模具加工成，不規則的曲面給透鏡 的製造加工帶來了不小的難度。
[0003] 本發明設計了一個三維平板折射率梯度的透鏡，放置於其焦點的點源發射的球面 波透過平板透鏡之後再次匯聚，重新聚焦成一個點，實現了成像的效果。折射率梯度有三種 形式，第一種是軸向梯度，這種透鏡的折射率在與軸向垂直的切面上保持一致，採用軸向梯 度的透鏡可以將原非球曲面變為球面；第二種是圓柱坐標系下徑向梯度，其代表是Wood透 鏡；第三種是球坐標系下徑向梯度，其透鏡為球體。最早的折射率梯度微波透鏡可以追溯到 1854年Maxwell的魚眼透鏡和1944年的Luneburg透鏡，它們均具有球坐標系下徑向梯度。 最早的折射率梯度光學透鏡可以追溯到1905年的Wood透鏡，它是一個圓柱坐標系下徑向 梯度透鏡。
[0004] 本發明充分利用超材料電磁參數可人為調控的特性，使得透鏡的折射率具有圓柱 坐標下徑向梯度，則可以在實現相位修正的同時，保持交界面為平面。相對於傳統的曲面透 鏡，平面的結構使得加工難度大大降低。本發明還具有性能穩定，工作頻帶較寬等優點，這 些都更便於將其推廣到實際應用。


【發明內容】

[0005] 技術問題：本發明充分利用了新型人工電磁材料介電常數可人為調控的特性，提 供一種能在整個X波段實現三維聚焦，整套裝置易於加工，可批量生產，還可推廣到米波、 毫米波、太赫茲以及光波段的基於超材料的折射率梯度平板聚焦透鏡。
[0006] 技術方案：本發明的基於超材料的折射率梯度平板聚焦透鏡，為由超材料製備 的圓盤狀切片疊加而成的圓柱體結構，所述圓盤狀切片平行於圓柱體底面，在與圓柱體母 線平行的方向上，透鏡的介電常數不變，在與圓柱形底面平行的徑向上，透鏡的介電常數 ε (R)按如下函數關係遞減：
[0007]

【權利要求】
1. 一種基於超材料的折射率梯度平板聚焦透鏡，其特徵在於，該透鏡為由超材料製備 的圓盤狀切片疊加而成的圓柱體結構，所述圓盤狀切片平行於圓柱體底面，在與圓柱體母 線平行的方向上，透鏡的介電常數不變，在與圓柱形底面平行的徑向上，透鏡的介電常數 ε (R)按如下函數關係遞減：
其中，η。為透鏡中心處的相對摺射率，t為透鏡的厚度，單位為毫米，f為平板聚焦透鏡 的焦距，單位為毫米，ε (R)為透鏡上一點的介電常數，R為該點到透鏡中心軸線的距離，單 位為毫米。
2. 根據權利要求1所述的一種基於超材料的折射率梯度平板聚焦透鏡，其特徵在於， 所述圓盤狀切片的厚度為透鏡工作波長的十二分之一到八分之一。
3. 根據權利要求2所述的一種基於超材料的折射率梯度平板聚焦透鏡，其特徵在於， 所述圓盤狀切片的厚度為透鏡工作波長的十分之一。
4. 根據權利要求1、2或3所述的一種基於超材料的折射率梯度平板聚焦透鏡，其特徵 在於，所述透鏡的圓柱體結構中，當一個切片採用單一介電常數材質不能滿足介電常數遞 減關係時，則該切片由介電常數從內向外依次減小的多個環形片材拼接而成。
5. 根據權利要求4所述的一種基於超材料的折射率梯度平板聚焦透鏡，其特徵在於， 所述圓盤狀切片根據等效媒質理論被分割成等大的單元塊，每個單元塊的中心都加工有用 以減小介電常數的通孔。
【文檔編號】H01P3/20GK104157945SQ201410401944
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月14日 優先權日:2014年8月14日
【發明者】蔣衛祥, 戈碩, 崔鐵軍 申請人:東南大學