【摘 要】
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由于太赫兹波具有独特的低光子能量,在生物以及非金属材料内部有着高穿透能力且不会对其造成损伤,因此太赫兹在无损检测、材料识别、成像等领域具有广阔的应用前景。然而,传统太赫兹聚焦透镜如抛物面镜,球面透镜大多厚重,且受衍射极限制约。超表面结构可以灵活地调制电磁波的相位、振幅和偏振,利用这一优势并结合光学超振荡原理设计的超表面透镜不仅轻薄,而且可以实现超分辨聚焦,但是现有的太赫兹超表面聚焦透镜大多数值孔径
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由于太赫兹波具有独特的低光子能量,在生物以及非金属材料内部有着高穿透能力且不会对其造成损伤,因此太赫兹在无损检测、材料识别、成像等领域具有广阔的应用前景。然而,传统太赫兹聚焦透镜如抛物面镜,球面透镜大多厚重,且受衍射极限制约。超表面结构可以灵活地调制电磁波的相位、振幅和偏振,利用这一优势并结合光学超振荡原理设计的超表面透镜不仅轻薄,而且可以实现超分辨聚焦,但是现有的太赫兹超表面聚焦透镜大多数值孔径低,焦斑尺寸在衍射极限附近且难以压缩。径向偏振光经高数值孔径透镜聚焦后具有显著的紧聚焦特性,其较强的纵向电场分量更容易压缩焦斑尺寸,对提高太赫兹显微分辨率有着重要的意义。因此,针对波长为λ=79.3μm的线偏振光,本文提出一种集成偏振转换功能和超分辨聚焦功能于一体的太赫兹径向偏振光超分辨聚焦器件。本文工作主要如下:（1）介绍径向偏振光聚焦器件与太赫兹聚焦器件的应用背景和研究现状,针对现有器件的不足,提出本文的研究内容。（2）介绍半波片,太赫兹径向偏振光聚焦器件的相关理论以及优化方法。（3）利用粒子群优化算法和电磁波有限时域差分算法,优化了八组半波片超原子,其相对初相位均匀覆盖0-2π之间,根据八组超原子的振幅相位,采用粒子群优化算法和矢量角谱衍射计算方法完成器件的设计。器件半径R=390λ,焦距f=130.1λ,数值孔径NA=0.95。设计结果表明,器件将线偏振光转换为径向偏振光并在z=130.1λ处聚焦,焦斑半高全宽为0.467λ,小于衍射极限0.526λ（0.5λ/NA）,旁瓣比为14%,实现了超分辨聚焦。使用COMSOL进行仿真验证,仿真结果表明,在z=130.1λ处,焦斑半高全宽为0.45λ,旁瓣比为16.8%,与设计结果相似。在器件中心进行挡光处理,挡光半径为130λ,利用COMSOL进行仿真,仿真结果表明,在z=130.1λ处,焦斑半高全宽为0.432λ,旁瓣比为15.6%,焦斑尺寸进一步减小。分析加工误差对器件聚焦性能的影响,结果表明横向加工误差为±1μm时,影响可以忽略。（4）根据器件特性制定加工方案并加工,对加工后的器件进行表征,结果表明器件超原子存在倒塌情况,倒塌面积占总面积的1/4。搭建实验系统对器件进行聚焦测试,实验结果表明在z=130.1λ处x方向形成双点焦斑,半高全宽为1.3λ,旁瓣比为14%,实验结果与理论仿真结果存在较大差异。结合器件表征结果使用矢量角谱衍射计算方法计算器件随机倒塌1/4后的聚焦光场,计算结果表明:在z=130.1λ处x方向聚焦形成双点焦斑,焦斑半高全宽为1.07λ,旁瓣比为32%。计算结果与实验结果具有较高的一致性,解释了实验结果与设计结果差异的原因。
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