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固体浸没式红外超表面透镜设计

红外与激光工程 2022年第3期51卷 287-296页

作者：邓三泳岳嵩张东亮刘昭君李慧宇柳渊张紫辰祝连庆北京信息科技大学北京100192 中国科学院微电子研究所北京100029

红外焦平面阵列在各类红外成像系统中发挥着巨大的作用。为提升红外焦平面的工作温度、量子效率和灵敏度,通常使用微透镜阵列作为红外焦平面的聚光器。当前微透镜阵列的制作材料通常与红外探测器材料不同,因此在集成装配时需要额外的工... 详细信息

红外焦平面阵列在各类红外成像系统中发挥着巨大的作用。为提升红外焦平面的工作温度、量子效率和灵敏度,通常使用微透镜阵列作为红外焦平面的聚光器。当前微透镜阵列的制作材料通常与红外探测器材料不同,因此在集成装配时需要额外的工艺手段,工艺难度较大且效率较低。利用微纳光学超表面技术体系,可以在红外探测器衬底材料上直接制作平面式的固体浸没型微透镜阵列,实现前置微透镜与红外焦平面的单片集成。文中以红外探测领域最有潜力的锑化物Ⅱ类超晶格红外探测器为应用目标,设计了一种基于GaSb衬底的固体浸没式红外超表面透镜。设计的超表面透镜在中波红外波段工作,能适用于所有入射偏振。器件设计焦距为100μm,理论上在目标波长下的最高聚焦效率达到70.7%,数值孔径(NA)达到1.15。该设计可以推动微透镜阵列向扁平、超薄、轻量的方向发展,简化微透镜阵列与红外焦平面阵列的集成工艺,有望提升红外焦平面的探测效率,并降低制造成本。

关键词：超表面透镜固体浸没中波红外传输相位偏振不敏感

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超表面透镜与毫米波雷达干扰分析在自动驾驶环境感知中的应用研究

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超表面透镜与毫米波雷达干扰分析在自动驾驶环境感知中的应用研究

作者：崔可意北京邮电大学

学位级别：硕士

近年来,随着汽车数量的快速增长与自动驾驶技术的蓬勃发展,激光雷达、毫米波雷达等传感器被大量部署在自动驾驶汽车上,用于实时感知周围的道路环境。针对激光雷达接收光学系统中传统聚焦透镜体积较大的问题,超表面为大视场聚焦透镜的小... 详细信息

近年来,随着汽车数量的快速增长与自动驾驶技术的蓬勃发展,激光雷达、毫米波雷达等传感器被大量部署在自动驾驶汽车上,用于实时感知周围的道路环境。针对激光雷达接收光学系统中传统聚焦透镜体积较大的问题,超表面为大视场聚焦透镜的小型化设计提供了新的方案。此外,面对复杂的电磁环境,毫米波雷达作为自动驾驶汽车的核心关键传感器,在实际使用中受到电磁干扰可能引发严重的安全问题。因此,研究超表面透镜与毫米波雷达干扰对自动驾驶环境感知技术的改进有着非常重要的意义。本文以超表面中的广义斯涅尔定律为理论基础,将GST相变材料与超表面相结合,设计了一种单层动态可调超表面透镜模型。所提出的模型尺寸为11.04×11.04 μm2,厚度为240nm,通过控制每个单元中GST材料的晶化程度,可以提供大视场聚焦所需要的变化的相位分布。借助电磁仿真软件从入射平面波转换效果、焦距、焦点FWHM(Full Width at Half Maximum,半峰全宽)、聚焦效率这四个角度分析了该模型在不同入射情况下的聚焦效果,验证了该模型可以将[-30°,30°]角度范围内的入射光聚焦于设计的位置。所提出的超表面透镜模型具有小型化、大视场聚焦等显著优点。同时,针对超表面透镜设计过程中需要进行大量电磁仿真、耗时长的问题,本文提出了基于随机森林回归模型的GST材料晶化程度快速预测方法。利用该方法可以根据入射角度与超表面透镜单元需要提供的相位,快速确定单元中GST材料的晶化程度,加速大视场聚焦超表面透镜的设计过程。结果表明,随机森林回归模型的MAPE与RMSE分别为4.59%和0.0131496,验证了预测结果的准确性。针对毫米波雷达对于人为有意干扰的抗风险能力不足、存在安全隐患的问题,本文根据毫米波雷达的工作原理搭建了人为正弦干扰仿真平台,用于分析人为正弦干扰信号的作用机制与影响程度。通过比较多种场景下的仿真结果与人为正弦干扰实验测试结果可知,受到干扰时的雷达底噪仿真结果与实验结果基本一致,最大误差不超过5 dB,验证了仿真平台的有效性。

关键词：超表面透镜大视场聚焦随机森林回归模型毫米波雷达人为正弦干扰

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超表面透镜的图像复原研究

超表面透镜的图像复原研究

作者：胡子彦电子科技大学

学位级别：硕士

超表面透镜利用亚波长单元结构阵列对入射电磁波进行波前调控,相比传统透镜具有体积、重量、平面集成度等方面的优势,但在成像质量上还存在差距。数字图像复原技术从上世纪六十年代开始发展,其主要思想是利用点扩散函数等先验知识由退... 详细信息

超表面透镜利用亚波长单元结构阵列对入射电磁波进行波前调控,相比传统透镜具有体积、重量、平面集成度等方面的优势,但在成像质量上还存在差距。数字图像复原技术从上世纪六十年代开始发展,其主要思想是利用点扩散函数等先验知识由退化图像求解复原图像,对应卷积过程的求逆。到目前图像复原技术在超表面透镜成像上的应用还较少,且主要针对可见光波段,缺乏在长波红外波段的研究。将图像复原技术与长波红外超表面透镜成像结合,可以改善该波段透镜的成像质量,为超表面透镜的进一步应用提供帮助。本文的研究内容主要包括:(1)对作为复原方法基础的成像模型公式进行了详细阐述,推导并编程构造了成像模型公式对应的线性代数形式。在空域对图像退化和复原过程进行了仿真,说明了空域上直接求逆法进行图像复原存在的问题。(2)对线性代数形式中的点扩散函数诱导矩阵进行了扩展和元素填充,编程构造了块循环矩阵,通过对块循环矩阵进行分解将图像复原的空域计算转换到了频域。推导并计算验证了使用离散Fourier变换进行频域转换与上述转换方法的等价性,同时对点扩散函数的循环平移变换、循环卷积对于图像边界的影响、振铃效应等问题进行了说明。(3)在频域上编程实现了频域截止逆滤波、最小均方差滤波、约束最小二乘滤波以及基于Bayes定理的迭代方法等图像复原方法,在进行仿真验证后,将几种方法应用于超表面透镜的成像结果,一定程度上复原了退化图像中难以分辨的部分细节。(4)结合远场标量衍射公式,编程计算了超表面透镜在实验设置下的点扩散函数,应用于各复原方法。(5)综合视觉评价和数值指标计算,对不同方法的复原效果进行了分析比较,并检验了复原方法对于不同类型图像的适用性。

关键词：超表面透镜图像复原频域滤波迭代法

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融合光瞳滤波的超表面透镜设计

物理学报 2024年

作者：钟润晖凌进中李洋洋杨旭东王晓蕊西安电子科技大学光电工程学院

超表面透镜是一种通过调制表面微单元结构参数来实现对光波相位、振幅和偏振的精确调控的微型平面透镜. 相较于普通透镜，具有尺寸小、重量轻、集成度高等优点，是光子芯片的核心器件. 为突破衍射极限，进一步提升超表面透镜的聚焦性能... 详细信息

超表面透镜是一种通过调制表面微单元结构参数来实现对光波相位、振幅和偏振的精确调控的微型平面透镜. 相较于普通透镜，具有尺寸小、重量轻、集成度高等优点，是光子芯片的核心器件. 为突破衍射极限，进一步提升超表面透镜的聚焦性能和成像分辨率，需结合现有的光场调控技术，对入射光场进行多维信息调控. 参考光瞳滤波器的超分辨成像原理，设计了一种融合型超表面透镜，可同时实现透镜聚焦和光瞳滤波器的功能，从而获得超越衍射极限的聚焦光斑. 通过参数优化，最终实现了半高全宽为323.4 nm（～0.51λ）的焦斑，较未加光瞳滤波器的超表面透镜（半高全宽为376 nm）性能提升了近15%. 本文设计的融合型超表面透镜展示了全面光场调控对其光学性能的提升，在未来有望代替传统透镜，并在纳米显微成像、纳米光刻、虚拟现实以及3D显示等领域发挥重要作用.

关键词：超表面透镜光瞳滤波超分辨成像

基于二氧化钒的太赫兹可重构消色差超表面透镜

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电子元件与材料 2024年第8期43卷 1002-1008页

作者：王羚高峰滕书华谭志国刘文清湖南第一师范学院电子信息学院湖南长沙410205 湖南第一师范学院三维场景可视化与智能教育湖南省重点实验室湖南长沙410205 北京邮电大学信息与通信工程学院北京100876

消色差超表面透镜是近期研究热点。由于需同时满足聚焦相位、群时延和群时延色散,目前消色差超表面透镜的设计存在复杂度较高的缺点。基于此,通过引入相变材料二氧化钒(VO_(2),Vanadium Dioxide)为消色差超表面透镜的设计提供新的自由度... 详细信息

消色差超表面透镜是近期研究热点。由于需同时满足聚焦相位、群时延和群时延色散,目前消色差超表面透镜的设计存在复杂度较高的缺点。基于此,通过引入相变材料二氧化钒(VO_(2),Vanadium Dioxide)为消色差超表面透镜的设计提供新的自由度,并提出了一种基于VO_(2)实现太赫兹可重构消色差超表面透镜的方法。通过切换VO_(2)的状态,可调控超表面单元引入的Pancharatnam-Berry相位,从而使得超表面透镜满足不同频率所需的相位分布,实现消色差特性。为进行验证,设计了一款工作于1.93和2.14 THz的双频可重构消色差超表面透镜,作为对比还设计了一款工作于1.93 THz的单频不可重构超表面透镜。仿真结果表明,设计的消色差超表面透镜可有效消除频率带来的焦距偏移,具有消色差特性。

关键词：太赫兹二氧化钒消色差超表面透镜

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大视场级联超表面透镜的聚焦与成像设计方法研究

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大视场级联超表面透镜的聚焦与成像设计方法研究

作者：何德伟中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)

学位级别：硕士

在常用的光学成像系统中,传统透镜主要依赖光在传播过程中因透镜厚度差而产生相位差的工作原理,实现聚焦与成像的功能,这对透镜的面形和厚度有着严格的要求,因而不利于光学系统的集成化和轻量化。超表面是一种由亚波长尺度的单元结构材... 详细信息

在常用的光学成像系统中,传统透镜主要依赖光在传播过程中因透镜厚度差而产生相位差的工作原理,实现聚焦与成像的功能,这对透镜的面形和厚度有着严格的要求,因而不利于光学系统的集成化和轻量化。超表面是一种由亚波长尺度的单元结构材料组合而成的阵列型膜层器件,又被称为二维超构材料,它能够通过自身亚波长单元结构阵列与电磁波束的相互作用,实现对电磁波振幅、偏振态、相位等基本信息的灵活调控。相比于传统光学透镜,超表面透镜表现出传统透镜不具备的轻量化、平面共形、方便集成等优越特性,因而被广泛应用于平面成像、全息成像、光束整形、超分辨光刻等研究领域。因此,超表面透镜有望突破传统光学透镜面形与尺寸厚度的限制,成为下一代光学器件。然而,在实际成像应用中,单层超表面透镜仅能对小入射角度的光束进行调制,而轴外像差严重,极大限制了超表面透镜的成像应用。为了获取更大视场范围内的物空间信息,实现大视场成像,本文对超表面透镜的视场受限问题进行了分析研究,在紫外光与可见光波段内,提出了两种解决超表面透镜视场受限的方案,主要如下:1.在紫外光375nm处,设计了偏振无关的双层级联超表面透镜,采用传输相位作为超表面透镜单元结构的相位调制方法,通过不同尺寸TO圆形纳米柱对线偏振入射光进行两次非球面相位调制,实现了60°视场范围内接近衍射极限的偏振无关聚焦与成像。2.在可见光532±5nm波段,设计了基于几何位相的三层级联超表面透镜,通过不同旋向TO矩形纳米柱单元结构对左旋圆偏振入射光进行相应非球面相位调制,实现了90°视场范围内10nm带宽接近衍射极限的聚焦与成像。

关键词：超表面透镜级联大视场成像衍射极限

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太赫兹相位梯度超表面透镜研究

太赫兹相位梯度超表面透镜研究

作者：余鑫南昌大学

学位级别：硕士

在科技飞速发展的今天,人们对仪器设备、军民用品的小型化和轻便化的追求越发强烈。电磁波的调控,一直以来都是通过不同厚度的介质产生相位累积来调节的。但是超表面的诞生改变了这一现状,可以通过人工调节材料的参数从而实现对电磁波... 详细信息

在科技飞速发展的今天,人们对仪器设备、军民用品的小型化和轻便化的追求越发强烈。电磁波的调控,一直以来都是通过不同厚度的介质产生相位累积来调节的。但是超表面的诞生改变了这一现状,可以通过人工调节材料的参数从而实现对电磁波的调节,并且可以有效的解决传统光学器件体积大、加工成本高等问题。超表面作为一种新型人工材料,它可以在亚波长尺度对光束的相位、振幅和偏振进行调控,打破了对传统光学器件依赖。超表面结构相对于传统的光学元件,显示了新颖的光学现象,并具有更紧凑结构和更简单的制备工艺,具有空间相位调节的能力,可以对光波阵面进行任意调控。本文描写了电磁波调控和超表面的相位控制的进展。从实现完整0-2π相位操纵的基础物理学出发,讨论了此类超表面在光子学中的应用,并讨论了该领域的未来前景。本文设计了一种太赫兹波段在1.1 THz处实现良好聚焦效果的相位梯度超表面透镜。通过对V型天线基本单元的设计以实现相位梯度0-2π的覆盖,可以实现对太赫兹波的定向调控。并且对比了不同偏振的入射光,我们的超表面透镜可以实现大数值孔径、偏振不依赖的聚焦效果。基于微纳加工工艺完成太赫兹超表面透镜的实验制备。并且基于太赫兹近场显微镜进行实验测量,对比不同数值孔径的太赫兹透镜我们实现了较高的分辨率最高可达206μm。理论和实验结果相吻合,可以应用于集成光学和测试系统中代替传统太赫兹透镜。

关键词：超表面透镜相位梯度太赫兹波亚波长结构

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基于石墨烯的可调超表面透镜研究

基于石墨烯的可调超表面透镜研究

作者：张照堃国防科技大学

学位级别：硕士

目前,光学聚焦主要通过多个几何透镜的组合实现。但是,在镜头的轻薄化与动态聚焦所需的较大物理移动空间之间存在矛盾。为了解决该问题,一种拥有独特电磁响应的亚波长复合材料（超材料）被广泛用于光束的波前调制,由此设计了多种超表面... 详细信息

目前,光学聚焦主要通过多个几何透镜的组合实现。但是,在镜头的轻薄化与动态聚焦所需的较大物理移动空间之间存在矛盾。为了解决该问题,一种拥有独特电磁响应的亚波长复合材料（超材料）被广泛用于光束的波前调制,由此设计了多种超表面透镜。然而,大多数此类超透镜的功能在结构确定后无法动态调整。作为典型的二维材料,石墨烯在性能可调谐的超表面器件领域具有极大的应用潜力。本文以基于石墨烯的超表面透镜为主要研究对象,聚焦超透镜的焦距调谐理论和结构设计,本文的主要工作及结论如下:1.设计了工作在9.8 THz处的分立调谐式石墨烯超表面透镜。超透镜中每一个石墨烯条带独立施加电压,通过改变镜面上的电压分布实现焦距的变化。焦距的最大调谐范围可达76.3μm（～2.5λ）。此超透镜还能够实现轴外聚焦。2.设计了工作在10 THz处的整体调谐式石墨烯-金属超表面透镜。其中金属条带构成了顶层天线阵列,通过调节金属下方整片石墨烯的费米能级,即可实现焦距的变化。焦距的最大调谐范围可达90.4μm（～3λ）。此超透镜同时表现出了良好的强度调节性能及宽频带工作特性。

关键词：石墨烯表面等离激元超表面透镜焦距可调谐太赫兹

基于超构光栅衍射调控的太赫兹超表面透镜设计方法研究

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基于超构光栅衍射调控的太赫兹超表面透镜设计方法研究

作者：高寒天津工业大学

学位级别：硕士

超表面器件可以实现高效灵活的电磁波操控,在通信、传感和成像等领域具有巨大的应用前景。其中,超表面透镜能够精确的操控电磁波的角度、相位、偏振、振幅等,并具有轻薄和易集成的优点。本文研究了太赫兹波段全介质超构光栅的衍射调控现... 详细信息

超表面器件可以实现高效灵活的电磁波操控,在通信、传感和成像等领域具有巨大的应用前景。其中,超表面透镜能够精确的操控电磁波的角度、相位、偏振、振幅等,并具有轻薄和易集成的优点。本文研究了太赫兹波段全介质超构光栅的衍射调控现象,并基于太赫兹超构光栅设计了太赫兹超表面透镜,主要研究内容包括:（1）研究了超构光栅衍射调控原理,分析了调控级次和角度的关系、复振幅的调控效应,建立了基于超构光栅衍射调控的超表面透镜设计方法。设计了一种全介质太赫兹超构光栅,并以T衍射级次的衍射效率最高为目标进行了结构单元的仿真和优化。当入射频率为0.14 THz时,对应输入TE和TM模式太赫兹波时,衍射效率分别为54.09%和39.26%。进一步,研究和分析了圆柱高度、圆柱的直径和圆柱之间的间距等结构参数以及太赫兹波斜入射对衍射效率的影响。（2）利用光固化3D打印技术制备太赫兹超构光栅,并对其衍射调控效应进行了实验表征。对太赫兹波垂直入射至超构光栅的衍射效率开展了实验研究。入射频率为0.14 THz时,在电场和磁场下超构光栅的T衍射级次透射损耗为-6.1 d B和-7.2 d B,均小于T和T衍射级次透射损耗。同时,本文研究了全介质超构光栅的角度调控特性,调控的范围可达46 GHz。（3）基于阵列超构光栅设计了长焦深太赫兹超表面透镜,并分析了圆柱高度和入射太赫兹波频率对焦距、焦点处电场强度的影响。搭建了太赫兹透射扫描系统对制备超表面透镜的聚焦特性进行实验研究,利用实验测得超表面透镜的光斑大小为2.0 mm*2.0 mm,焦距为117.8 mm,焦深为47.9 mm。最后,基于超表面透镜搭建了太赫兹透射成像系统,并利用USAF 1951分辨率板对成像分辨率进行实验验证。结果表明,USAF 1951分辨率板中2 mm的直线和间距都可以清晰呈现。

关键词：太赫兹超构表面超构光栅超表面透镜衍射调控