本發(fā)明屬于太赫茲光電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種太赫茲透鏡、其制備方法及包含其的太赫茲光學(xué)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

太赫茲波是頻率在0.1-10thz(對應(yīng)波長為30-3000μm)之間的電磁波，因其獨特的性質(zhì)，使得太赫茲技術(shù)在安全檢查、生物醫(yī)學(xué)和高速無線通信等諸多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。相對于太赫茲源和探測器，用以傳輸和控制太赫茲波的高性能光學(xué)器件仍處于初級發(fā)展階段。太赫茲透鏡是調(diào)制太赫茲波的基礎(chǔ)元件之一，在太赫茲光學(xué)系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。它通常是由凸面的聚合物或者石英晶體打磨而成，原理是光程差在傳播方向上的累積。這些透鏡體積大，難以實現(xiàn)小型化、集成化的系統(tǒng)設(shè)計。后來逐漸發(fā)展出了用超穎材料設(shè)計制備的透鏡，這種透鏡是基于二維金屬微結(jié)構(gòu)陣列的等離子體共振效應(yīng)，能實現(xiàn)輕薄的結(jié)構(gòu)設(shè)計，但是它的缺點是加工成本高，且缺乏可調(diào)諧性。

cn104849780a公開了一種太赫茲波光學(xué)透鏡，包括透射式透鏡，所述透射式透鏡為二元光學(xué)微結(jié)構(gòu)，所述透射式透鏡由4-甲基戊烯tpx材料或高阻硅或石英晶體制造而成，所述透射式透鏡上設(shè)有增透結(jié)構(gòu)，所述增透結(jié)構(gòu)為亞波長抗反射微結(jié)構(gòu)。該太赫茲波光學(xué)透鏡采用二元光學(xué)微結(jié)構(gòu)實現(xiàn)聚焦功能，顯著降低了太赫茲波光學(xué)透鏡的厚度，降低了吸收損耗，采用亞波長抗反射微結(jié)構(gòu)提高了透鏡的增透效果，從而提高了所傳輸太赫茲波經(jīng)過透鏡后的強度。但是這種透鏡同樣為非柔性透鏡，缺乏可調(diào)諧性。

因此，有待于研發(fā)一種柔性可調(diào)諧的太赫茲透鏡，以滿足實際應(yīng)用的需要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種太赫茲透鏡、其制備方法及包含其的太赫茲光學(xué)系統(tǒng)。相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的太赫茲透鏡具有平面化和柔性可彎曲的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的集成度，且具有良好的加工便捷性和可調(diào)諧性。

為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

第一方面，本發(fā)明提供一種太赫茲透鏡，包括一層液晶聚合物薄膜；

所述液晶聚合物薄膜從中心到邊緣連續(xù)分為一個中心圓區(qū)和與所述中心圓區(qū)同心的多個圓環(huán)區(qū)，所述中心圓區(qū)或任一個圓環(huán)區(qū)為一個子區(qū)域；

同一個所述子區(qū)域內(nèi)的分子指向矢方向相同；

所述子區(qū)域內(nèi)的分子指向矢方向從所述液晶聚合物薄膜的中心到邊緣沿順時針或逆時針逐漸偏轉(zhuǎn)，且所述子區(qū)域的寬度從所述液晶聚合物薄膜的中心到邊緣逐漸減小，使得所述液晶聚合物薄膜的分子指向矢方向從中心到邊緣呈周期逐漸減小的周期性變化。

需要說明的是，除非特殊說明，本發(fā)明中在描述所述液晶聚合物薄膜的分子指向矢分布時，均是將其視為一個沒有厚度的平面。所述“連續(xù)分為一個中心圓區(qū)和與所述中心圓區(qū)同心的多個圓環(huán)區(qū)”是指中心圓區(qū)和與其同心的圓環(huán)區(qū)是連續(xù)劃分的，任意相鄰的兩個子區(qū)域之間緊密相鄰。從所述液晶聚合物薄膜的中心到邊緣，子區(qū)域內(nèi)的分子指向矢方向是周期性變化的，為了保證太赫茲透鏡的精度，一個周期內(nèi)子區(qū)域的數(shù)量至少為3，且數(shù)量越多，太赫茲透鏡的精度越高；周期的數(shù)量可根據(jù)液晶聚合物薄膜的大小變化，其至少為1。本發(fā)明中所述子區(qū)域并不是物理上相互分割的區(qū)域，僅是為了方便描述液晶聚合物薄膜的結(jié)構(gòu)，而人為劃分的區(qū)域。本發(fā)明中，所述子區(qū)域的寬度是指所述圓環(huán)區(qū)的寬度，或中心圓區(qū)的半徑(可視為沒有圓心的圓環(huán))。

液晶聚合物是一種可聚合的液晶材料，它的內(nèi)部液晶分子指向矢在紫外光照聚合之后可以保留固定下來，形成各種特定功能的幾何相位型光學(xué)元件，例如透鏡、光柵、渦旋光產(chǎn)生器等。同時，液晶的雙折射具有寬波段的特性，從可見光波段一直延伸到太赫茲甚至微波波段，為基于液晶聚合物的太赫茲功能器件的開發(fā)提供了可能性。

本發(fā)明通過對液晶聚合物薄膜內(nèi)的分子取向結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，得到的液晶聚合物薄膜能夠?qū)崿F(xiàn)太赫茲透鏡的功能。當(dāng)在入射方向，分子指向矢方向從中心向邊緣沿逆時針偏轉(zhuǎn)時，本發(fā)明提供的太赫茲透鏡能夠?qū)⒆笮裉掌澆ㄞD(zhuǎn)變?yōu)橛倚裉掌澆?，并在焦距處聚焦，形成凸透鏡的效果；將右旋偏振太赫茲波轉(zhuǎn)變?yōu)樽笮裉掌澆?，并發(fā)散，形成凹透鏡的效果。該功能的實現(xiàn)依賴于液晶這種具有雙折射的材料在空間改變光軸偏轉(zhuǎn)方向時引入的幾何相位，當(dāng)合理設(shè)計空間分布的液晶光軸方向使幾何相位滿足透鏡相位時就能實現(xiàn)匯聚功能。這個幾何相位對于入射的左右旋偏振光是共軛的，因此當(dāng)對于某種特定偏振光匯聚時，對于與其正交的偏振光發(fā)散。本發(fā)明提供的太赫茲透鏡為平面結(jié)構(gòu)，具有柔性可彎曲的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的集成度，加工便捷，且其焦距可隨彎曲應(yīng)變的變化而變化，具有柔性可調(diào)諧的特點。

作為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案，所述太赫茲透鏡包括一層液晶聚合物薄膜；

所述液晶聚合物薄膜上與中心相等距離處的分子指向矢方向相同；

所述液晶聚合物薄膜的分子指向矢方向隨著r的增大而沿順時針或逆時針逐漸偏轉(zhuǎn)，且偏轉(zhuǎn)速率隨著r的增大而增大，使得所述液晶聚合物薄膜的分子指向矢方向隨著r的增大呈周期逐漸減小的周期性變化；

其中，偏轉(zhuǎn)速率為dθ/dr(即在徑向上單位距離內(nèi)分子指向矢偏轉(zhuǎn)的角度)，r為液晶聚合物薄膜上任意一點與中心之間的距離，θ為該點處的分子指向矢方向的角度。

以液晶聚合物薄膜的中心為原點，中心處的分子指向矢方向為x軸，角度為0°，位于液晶聚合物薄膜平面內(nèi)且垂直于x軸的方向為y軸，建立坐標(biāo)系，則理論上液晶聚合物薄膜的分子指向矢分布滿足以下公式：

r²＝x²+y²，

其中，為液晶聚合物薄膜上任意一點(x，y)處所需的相位，λ為預(yù)設(shè)入射光的波長，f為太赫茲透鏡的焦距，θ為點(x，y)處分子指向矢方向的角度，r為點(x，y)與原點之間的距離。

本發(fā)明可通過設(shè)計太赫茲透鏡的分子指向矢分布對特定波長處的焦距進行任意設(shè)計，其中焦距優(yōu)選為5-50mm(例如可以是5mm、8mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm或50mm等)。

本發(fā)明中，液晶聚合物薄膜的分子指向矢方向每偏轉(zhuǎn)180°，液晶聚合物分子的取向結(jié)構(gòu)的變化完成一次循環(huán)，將液晶聚合物薄膜的分子指向矢方向偏轉(zhuǎn)過180°的區(qū)域記為一個周期。

為了方便說明本發(fā)明中液晶聚合物薄膜的分子指向矢的分布，設(shè)從液晶聚合物薄膜的中心向邊緣計，共有n(n為≥1的整數(shù))個周期，每個周期分為j(j為≥3的整數(shù)，例如可以是3、4、5、6、8、10、12、15、18、20、22或25等)個子區(qū)域，將第k(k為1～n的整數(shù))個周期的區(qū)域記為tk，tk區(qū)中的第i(i為1～j的整數(shù))個子區(qū)域記為tki。則示例性地，本領(lǐng)域技術(shù)人員可按照如下公式設(shè)計液晶聚合物薄膜的分子指向矢分布，以獲得對波長為λ的太赫茲波具有焦距f的太赫茲透鏡：

tki區(qū)的分子指向矢方向的角度為

tki區(qū)的內(nèi)側(cè)邊界半徑為外側(cè)邊界半徑為tki區(qū)的寬度為lki＝rk(i+1)-rki；

其中，內(nèi)側(cè)是指tki區(qū)靠近液晶聚合物薄膜中心的一側(cè)，外側(cè)是指tki區(qū)遠(yuǎn)離液晶聚合物薄膜中心的一側(cè)；

tk區(qū)的寬度為

根據(jù)上述公式可知，每個周期中劃分的子區(qū)域數(shù)量越多，則液晶聚合物薄膜的分子指向矢分布越接近理論值，得到的太赫茲透鏡的聚焦效率越高。本發(fā)明提供的太赫茲透鏡對波長接近λ的入射光具有更好的適用性，入射光的波長越偏離λ，太赫茲透鏡的聚焦效率越低。

作為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案，所述液晶聚合物薄膜中任意兩個相鄰的子區(qū)域內(nèi)的分子指向矢方向偏轉(zhuǎn)的角度相等。

作為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案，所述液晶聚合物薄膜的雙折射率≥0.1，例如可以是0.1、0.12、0.15、0.18、0.2、0.22、0.25、0.28、0.3、0.32或0.35等。

作為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案，所述液晶聚合物薄膜的厚度為100-500μm；例如可以是100μm、120μm、150μm、160μm、180μm、200μm、220μm、230μm、250μm、260μm、280μm、300μm、320μm、330μm、350μm、360μm、380μm、400μm、420μm、430μm、450μm、460μm、480μm或500μm等。

相位延遲條件δφ＝2πδnd/λ，其中，δφ為尋常光與非尋常光的相位差，δn為液晶聚合物薄膜的雙折射率，d為液晶聚合物薄膜的厚度，λ為入射光的波長，在特定波長λ處，需要滿足半波條件(本發(fā)明中δφ取π)才能使幾何相位光學(xué)元件的工作效率達(dá)到最大。對于大部分波段的太赫茲波，需要較高的膜厚，例如對于300μm太赫茲波，液晶聚合物薄膜的雙折射率為0.15時，所需膜厚為1000μm。但是液晶聚合物薄膜的厚度過大時，會導(dǎo)致液晶聚合物分子的取向效果變差，影響分子指向矢的分布；厚度過低時不能滿足太赫茲波段的半波條件，會導(dǎo)致太赫茲透鏡的聚焦效率較低，因此本發(fā)明中，液晶聚合物薄膜的厚度優(yōu)選為100-500μm。提高液晶聚合物薄膜的雙折射率，有助于減小所需的膜厚，提高太赫茲透鏡的聚焦效率。

第二方面，本發(fā)明提供一種上述太赫茲透鏡的制備方法，包括如下步驟：

(1)分別在第一基板的一側(cè)和第二基板的一側(cè)形成光控取向膜；

(2)將所述第一基板和所述第二基板相對設(shè)置并用間隔子隔開，且所述第一基板和所述第二基板上的光控取向膜相互近鄰，然后封裝，使所述第一基板和所述第二基板之間形成空腔；

(3)對所述光控取向膜進行曝光，使所述光控取向膜形成與上述太赫茲透鏡相同的分子指向矢分布圖形；

(4)在所述第一基板和所述第二基板之間的空腔內(nèi)灌注液晶聚合物前體組合物，所述液晶聚合物前體組合物的分子在所述光控取向膜的控制下發(fā)生取向；

(5)對所述液晶聚合物前體組合物進行紫外光照射，固化成膜，去除所述第一基板、第二基板和光控取向膜，得到所述太赫茲透鏡。

作為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案，所述制備方法還包括：在步驟(1)之前，對所述第一基板和所述第二基板進行預(yù)處理。

優(yōu)選地，所述預(yù)處理為：將所述第一基板和所述第二基板用洗液超聲清洗20-40分鐘，再用超純水超聲清洗兩次，每次各8-10分鐘，然后在100-120℃烘箱中烘干40-60分鐘，最后進行紫外光臭氧清洗30-45分鐘。

優(yōu)選地，所述洗液為丙酮和/或酒精。

作為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案，步驟(3)中所述曝光為多步重疊曝光，所述多步重疊曝光的方法為：

采用數(shù)控微鏡陣光刻系統(tǒng)，根據(jù)曝光次序，選擇對應(yīng)的曝光圖形，以及對應(yīng)的誘導(dǎo)光偏振方向，依次進行曝光；

其中，相鄰步驟的曝光圖形的曝光區(qū)域部分重疊，所述誘導(dǎo)光的偏振方向隨曝光次序沿順時針或逆時針偏轉(zhuǎn)。

作為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案，步驟(4)中所述液晶聚合物前體組合物選自固化后雙折射率≥0.2的液晶聚合物前體組合物。

本發(fā)明對液晶聚合物及其前體的種類沒有特殊限制，示例性的，可以選擇江蘇和成液晶材料有限公司生產(chǎn)的rm系列(如rm257)液晶聚合物前體，然后與光引發(fā)劑(如二苯甲酮)按質(zhì)量比99:1配制成液晶聚合物前體組合物。

優(yōu)選地，步驟(4)中所述液晶聚合物前體組合物的溫度為130-150℃。

優(yōu)選地，步驟(5)中所述紫外光照射的時間為20-30min，照射的功率為12-15mw/cm²。

第三方面，本發(fā)明提供一種太赫茲光學(xué)系統(tǒng)，所述太赫茲光學(xué)系統(tǒng)包括太赫茲波源、太赫茲探測器和至少一個本發(fā)明第一方面提供的太赫茲透鏡。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明通過對液晶聚合物薄膜內(nèi)的分子取向結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，得到的液晶聚合物薄膜能夠?qū)崿F(xiàn)太赫茲透鏡的功能。該太赫茲透鏡具有平面化和柔性可彎曲的特點，相較于現(xiàn)有太赫茲透鏡，其能夠?qū)崿F(xiàn)更高的集成度；可靈活設(shè)計曝光圖案，制備出不同焦距的太赫茲透鏡或透鏡陣列，具有加工便捷性；且其焦距可隨彎曲應(yīng)變的變化而變化，具有柔性可調(diào)諧的特點。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例提供的太赫茲透鏡的分子指向矢的分布示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的太赫茲透鏡的制備方法的流程圖；

圖3為本發(fā)明實施例提供的太赫茲透鏡的制備方法的步驟示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例中采用的多步重疊曝光的方法的示意圖；

圖5為本發(fā)明實施例1提供的太赫茲透鏡的正交偏光顯微照片；

圖6為本發(fā)明實施例1提供的太赫茲透鏡的相位分布模擬圖；

圖7為太赫茲近場顯微成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

其中，1為光導(dǎo)天線、2為金屬拋物面鏡、3為斬波器、4為第一太赫茲四分之一波片、5為太赫茲透鏡、6為第二太赫茲四分之一波片、7為光導(dǎo)天線探針；

圖8為本發(fā)明實施例1提供的太赫茲透鏡的歸一化太赫茲遠(yuǎn)場分布圖；

圖9為本發(fā)明實施例1提供的太赫茲透鏡的焦距與太赫茲波頻率的關(guān)系曲線圖；

圖10為本發(fā)明實施例1提供的太赫茲透鏡的實物照片；

圖11為本發(fā)明實施例1提供的太赫茲透鏡在不同彎曲應(yīng)變下的歸一化太赫茲遠(yuǎn)場分布圖；

圖12為本發(fā)明實施例1提供的太赫茲透鏡的焦距與彎曲應(yīng)變的關(guān)系曲線圖；

圖13為本發(fā)明實施例2提供的太赫茲透鏡的正交偏光顯微照片；

圖14為本發(fā)明實施例2提供的太赫茲透鏡的歸一化太赫茲遠(yuǎn)場分布圖；

圖15為本發(fā)明實施例3提供的太赫茲透鏡的正交偏光顯微照片；

圖16為本發(fā)明實施例3提供的太赫茲透鏡的歸一化太赫茲遠(yuǎn)場分布圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖并通過具體實施方式來進一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明了，所述具體實施方式僅僅是幫助理解本發(fā)明，不應(yīng)視為對本發(fā)明的具體限制。

實施例1

本實施例提供一種太赫茲透鏡，包括一層液晶聚合物薄膜，圖1為其分子指向矢的分布示意圖，如圖1所示，所述液晶聚合物薄膜從中心到邊緣連續(xù)分為一個中心圓區(qū)和與所述中心圓區(qū)同心的多個圓環(huán)區(qū)，所述中心圓區(qū)或任一個圓環(huán)區(qū)為一個子區(qū)域，同一個所述子區(qū)域內(nèi)的分子指向矢方向相同；

所述子區(qū)域內(nèi)的分子指向矢方向從所述液晶聚合物薄膜的中心到邊緣沿逆時針逐漸偏轉(zhuǎn)，且所述子區(qū)域的寬度從所述液晶聚合物薄膜的中心到邊緣逐漸減小，使得所述液晶聚合物薄膜的分子指向矢方向從中心到邊緣呈周期逐漸減小的周期性變化；

具體的，太赫茲透鏡的分子指向矢的分布如下：

將液晶聚合物薄膜的分子指向矢方向偏轉(zhuǎn)過180°的區(qū)域記為一個周期，從液晶聚合物薄膜的中心到邊緣計，共有n個(n＝4)周期，依次記為t1，t2，t3，……tn，第k(k為1～n的整數(shù))個周期的區(qū)域記為tk；每個周期分為j個子區(qū)域，tk的子區(qū)域依次記tk1，tk2，tk3，……tkj，tk的第i(i為1～j的整數(shù))個子區(qū)域記為tki；t11區(qū)的分子指向矢方向的角度記為0；

tki區(qū)的分子指向矢方向的角度為

tki區(qū)的內(nèi)側(cè)邊界半徑為外側(cè)邊界半徑為tki區(qū)的寬度為lki＝rk(i+1)-rki；

其中，內(nèi)側(cè)是指tki區(qū)靠近液晶聚合物薄膜中心的一側(cè)，外側(cè)是指tki區(qū)遠(yuǎn)離液晶聚合物薄膜中心的一側(cè)；

tk區(qū)的寬度為

本實施例提供的太赫茲透鏡在入射光頻率為1.0thz(λ＝300μm)處的設(shè)定焦距f＝15mm，每個周期分為18個子區(qū)域，相鄰兩個子區(qū)域的分子指向矢方向偏轉(zhuǎn)的角度為10°，太赫茲透鏡的厚度(即液晶聚合物薄膜的厚度)為350μm。

本實施例還提供一種上述太赫茲透鏡的制備方法，圖2為本實施例提供的太赫茲透鏡的制備方法的流程圖，圖3為本實施例提供的太赫茲透鏡的制備方法的步驟示意圖，如圖2和圖3所示，所述制備方法包括如下步驟：

s1：提供第一基板和第二基板；

具體的，取兩塊透明玻璃基板，先用酒精超聲清洗30分鐘，再用超純水超聲清洗兩次，每次各10分鐘，然后在100℃烘箱中烘干60分鐘，最后進行紫外光臭氧清洗30分鐘，作為第一基板和第二基板；

s2：分別在第一基板的一側(cè)和第二基板的一側(cè)形成光控取向膜；

具體的，形成光控取向膜的方法為：用旋涂儀將光控取向劑分別旋涂在第一基板和第二基板的一側(cè)，先在600轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速下旋涂5秒，然后在3000轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速下旋涂60秒，然后在100℃下退火10分鐘，形成光控取向膜；

s3：將第一基板與第二基板相對設(shè)置，具有光控取向膜的一側(cè)相互靠近并用間隔子隔開，然后封裝，使第一基板和第二基板之間形成空腔；

其中，第一基板與第二基板的間距為350μm；

s4：對光控取向膜進行多步重疊曝光，使光控取向膜形成預(yù)設(shè)的分子指向矢分布圖形(與太赫茲透鏡的分子指向矢分布圖形相同)；

多步重疊曝光的方法為：采用數(shù)控微鏡陣光刻系統(tǒng)，根據(jù)曝光次序，選擇對應(yīng)的曝光圖形，以及對應(yīng)的誘導(dǎo)光偏振方向，依次進行曝光；

其中，相鄰步驟的曝光圖形的曝光區(qū)域部分重疊，所述誘導(dǎo)光的偏振方向隨曝光次序沿逆時針偏轉(zhuǎn)；

具體的，圖4為本實施例中采用的多步重疊曝光的方法的示意圖，如圖4所示，以任意一個周期tk為例，分為18個子區(qū)域，依次為tk1，tk2，……tk18，各子區(qū)域在光控取向膜上的物理位置根據(jù)前述太赫茲透鏡的分子指向矢分布相關(guān)公式計算得知，以相對鄰近的5個子區(qū)域為一組曝光區(qū)域，組成曝光圖形，采用數(shù)控微鏡陣光刻系統(tǒng)進行曝光，每次曝光時曝光圖形的曝光區(qū)域相較于前一次曝光向外移動一個子區(qū)域(當(dāng)?shù)竭_(dá)tk18區(qū)時，返回tk1區(qū))，且誘導(dǎo)光偏振方向沿逆時針偏轉(zhuǎn)10°，共進行18次曝光，使光控取向膜形成預(yù)設(shè)的分子指向矢分布圖形；

具體的，第一次曝光時，第一曝光圖形的曝光區(qū)域為tk1、tk2、tk3、tk17和tk18，第一次曝光對應(yīng)的誘導(dǎo)光偏振方向為0°；

第二次曝光時，第二曝光圖形的曝光區(qū)域為tk18、tk1、tk2、tk3和tk4，第二次曝光對應(yīng)的誘導(dǎo)光偏振方向為10°；

第三次曝光時，第三曝光圖形的曝光區(qū)域為tk1、tk2、tk3、tk4和tk5，第三次曝光對應(yīng)的誘導(dǎo)光偏振方向為20°；

以此類推，第十八次曝光時，第十八曝光圖形的曝光區(qū)域為tk1、tk2、tk16、tk17和tk18)，第十八次曝光對應(yīng)的誘導(dǎo)光偏振方向為170°；

在經(jīng)歷18次曝光后，每一個子區(qū)域均被曝光五次，光控取向膜的指向矢方向介于所經(jīng)歷的多次曝光的偏振角度的中間態(tài)，形成預(yù)設(shè)的分子指向矢分布圖形；

s5：在第一基板和第二基板之間的空腔內(nèi)灌注液晶聚合物前體組合物，所述液晶聚合物前體組合物的分子在光控取向膜的控制下發(fā)生取向，形成預(yù)設(shè)的分子指向矢分布圖形；

其中，液晶聚合物前體組合物由江蘇和成液晶材料有限公司生產(chǎn)的rm257和光引發(fā)劑二苯甲酮按質(zhì)量比99:1配制而成，灌注時液晶聚合物前體組合物的溫度為140℃；

s6：對液晶聚合物前體組合物進行紫外光照射，固化形成液晶聚合物薄膜；

具體的，照射時間為30min，照射功率為15mw/cm²；

s7：去除第一基板、第二基板和光控取向膜，得到太赫茲透鏡。

性能表征：

1、太赫茲透鏡的液晶指向矢分布表征

采用正交偏光顯微鏡對實施例1提供的太赫茲透鏡的液晶指向矢分布進行表征。圖5為本發(fā)明實施例1提供的太赫茲透鏡的正交偏光顯微照片。如圖5所示，照片亮度沿徑向由里向外呈現(xiàn)周期性的條紋變化，且越往外圍條紋變化越密集。這種強度變化是液晶分子指向矢連續(xù)變化的結(jié)果，圖中由暗到亮表示液晶分子指向矢方向偏轉(zhuǎn)180°，整個強度的變化和實施例1提供的太赫茲透鏡的分子指向矢分布相吻合。

圖6為本發(fā)明實施例1提供的太赫茲透鏡的相位分布模擬圖。該模擬圖和實施例1提供的太赫茲透鏡的分子指向矢分布及圖5中的結(jié)果相吻合。

2、太赫茲透鏡的匯聚功能表征

采用一套太赫茲近場顯微成像系統(tǒng)對實施例1提供的太赫茲透鏡在0.6-1.2thz頻率范圍內(nèi)的出射太赫茲波的遠(yuǎn)場強度進行表征。圖7為太赫茲近場顯微成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖7所示，包括：用于產(chǎn)生太赫茲波的光導(dǎo)天線1、用于對太赫茲波束進行匯聚和準(zhǔn)直的金屬拋物面鏡2、斬波器3、用于產(chǎn)生圓偏振太赫茲波的第一太赫茲四分之一波片4、太赫茲透鏡5、第二太赫茲四分之一波片6，以及用于探測太赫茲波的光導(dǎo)天線探針7。

采用該太赫茲近場顯微成像系統(tǒng)對距離樣品表面一定范圍內(nèi)的區(qū)域進行探針掃描，掃描區(qū)域為xy面(焦平面，x方向掃描6mm，y方向掃描6mm)和xz面(z為太赫茲波傳播方向，x方向掃描6mm，z方向掃描15mm)，掃描步長為0.25mm，把每個掃描點的太赫茲強度和相位信息拼接在一起得到太赫茲分布圖。

圖8為本發(fā)明實施例1提供的太赫茲透鏡的歸一化太赫茲遠(yuǎn)場分布圖。如圖8所示，從左到右分別是0.6thz、0.8thz、1.0thz和1.2thz太赫茲波的測試結(jié)果，下圖為太赫茲傳播方向的遠(yuǎn)場(xz平面)，上圖為對應(yīng)焦平面的遠(yuǎn)場(xy平面)。由圖8可以看出，實施例1提供的太赫茲透鏡對于入射的左旋圓偏振太赫茲波在0.6-1.2thz的波段內(nèi)具有良好的匯聚效果；在焦平面上的光斑的半高寬均接近該太赫茲頻率處的波長；且隨著太赫茲波的頻率由0.6thz到1.2thz的增大，該太赫茲透鏡的焦距也逐漸增大，其中1thz頻率處的焦距約等于預(yù)設(shè)焦距15mm。

需要說明的是，實施例1提供的太赫茲透鏡適用的太赫茲波的頻率范圍可以擴展到0.3thz-3thz。由于采用的太赫茲近場顯微成像系統(tǒng)的工作頻率限制，因此測量的頻率范圍為0.6thz-1.2thz。

圖9為本發(fā)明實施例1提供的太赫茲透鏡的焦距與太赫茲波頻率的關(guān)系曲線圖，其中，實線為實驗結(jié)果(由太赫茲近場顯微成像系統(tǒng)掃描測得)，虛線為模擬結(jié)果(由基于時域有限差分法fdtd的仿真模擬軟件模擬得到)?？梢钥吹?，當(dāng)頻率由0.6thz增大到1.2thz時，實驗測得的透鏡焦距由8.9mm增大到17.8mm，與模擬結(jié)果能夠很好地吻合。

3、彎曲狀態(tài)下太赫茲透鏡的匯聚功能表征

圖10為本發(fā)明實施例1提供的太赫茲透鏡的實物照片，如圖10所示，其具有柔性可彎曲的特點，因此具有機械可調(diào)諧性。對實施例1提供的太赫茲透鏡施加不同大小的彎曲應(yīng)力，使其產(chǎn)生不同程度的形變，采用前述太赫茲近場顯微成像系統(tǒng)，對彎曲狀態(tài)下的太赫茲透鏡的匯聚功能進行表征。

圖11為本發(fā)明實施例1提供的太赫茲透鏡在不同彎曲應(yīng)變ε下的歸一化太赫茲遠(yuǎn)場分布圖。測試的太赫茲波的頻率為1thz(可選地，也可以觀測0.6-1.2thz范圍內(nèi)任意一個頻率處的結(jié)果)。由圖11可以看出，隨著ε從0％逐漸增大到1.95％，實施例1提供的太赫茲透鏡的彎曲程度逐漸增大，焦距逐漸減小。該現(xiàn)象可以解釋如下：彎曲只改變了液晶的預(yù)傾角而沒有改變液晶的方位角，由于本發(fā)明提供的太赫茲透鏡是幾何相位元件，所以整個透鏡的幾何相位不會改變；對于同一個透鏡區(qū)域，在彎曲狀態(tài)下的相位變化比弛豫狀態(tài)下更加劇烈，根據(jù)廣義斯內(nèi)爾定律，在入射面上相位變化更加劇烈的情況下，出射光的折射角會更大，導(dǎo)致了透鏡的焦距在彎曲狀態(tài)下的減小。

圖12為本發(fā)明實施例1提供的太赫茲透鏡的焦距與彎曲應(yīng)變的關(guān)系曲線圖，其中，實線為實驗結(jié)果，虛線為模擬結(jié)果。由圖12可以看出，當(dāng)ε從0％逐漸增大到1.95％時，實驗測得的透鏡焦距由15.1mm減小到11.2mm，模擬得到的透鏡焦距由14.3mm減小到8.6mm。實驗和模擬結(jié)果有一定差距，但變化趨勢吻合，這可能是因為制備加工過程中的誤差導(dǎo)致實際液晶分子指向矢的分布和理論分布不完全相符。

實施例2

本實施例提供一種太赫茲透鏡，與實施例1的區(qū)別在于，在入射光頻率為1.0thz(λ＝300μm)處的設(shè)定焦距f＝20mm，根據(jù)該參數(shù)和太赫茲透鏡的分子指向矢分布公式，計算得到本實施例的太赫茲透鏡的分子指向矢分布，更換曝光圖形，按照實施例1的方法進行制備。然后按照前述表征方法對實施例2提供的太赫茲透鏡進行表征。

圖13為本發(fā)明實施例2提供的太赫茲透鏡的正交偏光顯微照片。如圖13所示，照片亮度沿徑向由里向外呈現(xiàn)周期性的條紋變化，且越往外圍條紋變化越密集，整個強度的變化和實施例2提供的太赫茲透鏡的分子指向矢分布相吻合。

圖14為本發(fā)明實施例2提供的太赫茲透鏡的歸一化太赫茲遠(yuǎn)場分布圖。如圖14所示，從左到右分別是0.6thz、0.8thz、1.0thz和1.2thz在太赫茲傳播方向的遠(yuǎn)場(xz平面)。由圖14可以看出，實施例2提供的太赫茲透鏡對于入射的左旋圓偏振太赫茲波在0.6-1.2thz的波段內(nèi)具有良好的匯聚效果；且隨著太赫茲波的頻率由0.6thz到1.2thz的增大，該太赫茲透鏡的焦距也逐漸增大，其中1.0thz頻率處的焦距約等于預(yù)設(shè)焦距20mm。

實施例3

本實施例提供一種太赫茲透鏡，與實施例1的區(qū)別在于，在入射光頻率為1.0thz(λ＝300μm)處的設(shè)定焦距f＝30mm，根據(jù)該參數(shù)和太赫茲透鏡的分子指向矢分布公式，計算得到本實施例的太赫茲透鏡的分子指向矢分布，更換曝光圖形，按照實施例1的方法進行制備。然后按照前述表征方法對實施例3提供的太赫茲透鏡進行表征。

圖15為本發(fā)明實施例3提供的太赫茲透鏡的正交偏光顯微照片。如圖15所示，照片亮度沿徑向由里向外呈現(xiàn)周期性的條紋變化，且越往外圍條紋變化越密集，整個強度的變化和實施例3提供的太赫茲透鏡的分子指向矢分布相吻合。

圖16為本發(fā)明實施例3提供的太赫茲透鏡的歸一化太赫茲遠(yuǎn)場分布圖。如圖16所示，從左到右分別是0.6thz、0.8thz、1.0thz和1.2thz在太赫茲傳播方向的遠(yuǎn)場(xz平面)。由圖16可以看出，實施例3提供的太赫茲透鏡對于入射的左旋圓偏振太赫茲波在0.6-1.2thz的波段內(nèi)具有良好的匯聚效果；且隨著太赫茲波的頻率由0.6thz到1.2thz的增大，該太赫茲透鏡的焦距也逐漸增大，其中1.0thz頻率處的焦距約等于預(yù)設(shè)焦距30mm。

根據(jù)上述實施例提供的太赫茲透鏡的表征結(jié)果可以看出，本發(fā)明提供的太赫茲透鏡的適用波段較寬，具有平面化和柔性可彎曲的特點，與現(xiàn)有的聚合物透鏡、石英晶體透鏡和超穎材料透鏡相比，本發(fā)明提供的太赫茲透鏡可以實現(xiàn)更高的集成度。通過靈活的曝光圖案設(shè)計，可以制備出不同焦距的太赫茲透鏡或透鏡陣列，在太赫茲通訊、傳感、濾波等領(lǐng)域有很大的應(yīng)用潛力。而且，通過給本發(fā)明提供的太赫茲透鏡施加不同大小的彎曲應(yīng)力，使其產(chǎn)生不同程度的形變，可以使設(shè)計的焦距發(fā)生一定程度的改變，這種柔性可調(diào)諧的功能特性在可穿戴設(shè)備中具有潛在的應(yīng)用價值。

申請人聲明，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明了，任何屬于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，均落在本發(fā)明的保護范圍和公開范圍之內(nèi)。