CN102455467A - 一种集成于光纤端面的亚波长聚焦透镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成于光纤端面的亚波长聚焦透镜，该透镜基本结构为与光纤对接的正立圆台，圆台上端面为空心的倒立圆锥；其中，在入射波长区间为400～1600nm，透镜折射率与耦合光纤折射率相接近，范围为1.4~1.7的情况下，透镜的入射口径D变化范围在8~40um，高度H变化范围在50~400um，透镜的透镜的外锥角度Angle1变化范围在20~60度，透镜的透镜的内锥角度Angle2变化范围在10~40度；本发明具有聚焦光斑小、通光效率高、与光纤集成、可采用高聚物微纳接触成型法实现批量生产的特点。

Description

一种集成于光纤端面的亚波长聚焦透镜

技术领域

本发明涉及一种亚波长聚焦透镜，尤其涉及一种在光纤头上实现高透过率亚波长聚焦的透镜。

背景技术

亚波长聚焦一直是光学研究人员和相关工业界工程师最为关注的方向之一，也是近几十年来研究的热点。目前随着科学技术的发展，对光学空间分辨率提出了越来越高的要求。

光斑尺寸小于波长的焦点光束在三维光学数据存储，光刻技术，材料加工，纳米微粒运动操作和控制，生物医学成像，拉曼光谱技术，二次谐波激发，近场扫描和激光共焦显微技术中都是至关重要的。举例来说，在光学数据存储中，小光斑可以提高存储密度和存储容量；在纳米操作和控制中，高度聚焦光斑可以增加梯度力或旋转力矩；在生物医学成像中，高度聚焦光斑可以减少背景成像，改善清晰度；在材料加工中，高度聚焦光斑增加了光能利用率，加工速度和加工精度。

然而在光斑尺寸小于聚波长时，标量衍射理论无法得到焦点附近准确的广场分布，必须使用矢量衍射理论，为此Richards和Wolf系统地研究了光束的聚焦为题，得到了矢量衍射积分公式，建立了聚焦问题的基本理论框架。在此基础上，科学家研究了不同横模激光束如平面波、贝塞尔光束等的聚焦。

贝塞尔光束在无界的自由空问中传播时，与传播方向垂直的任一横向平面上的强度分布总是保持相同，并且能量具有高度局域化；在传播过程中不会遭受到衍射扩展，这类波束被称为“无衍射波束”。

根据平面波的角谱理论，任何空间中传播的单色光波都可以看成是一系列单色平面波的叠加。基于该理论，MIT的一个研究小组成功地直接利用非聚焦光波波前的相干叠加来实现亚波长聚焦。但其研究只是在实验上验证了利用角谱合成理论可以实现亚波长聚焦的贝塞尔光束，而并未提供一种高效率耦合，具有足够工作距离和聚集深度的实用性的器件结构。

此后的金属纳米圆环，以及金属孔阵列等隙缝型透射合成法有光束功率损耗大，工作距离短的缺陷。

传统的锥透镜（微棱锥 microaxicon）可以将高斯光束转化成近贝塞尔光束，这种透镜用于亚波长聚焦的问题在于：

1、只有在紧靠透镜出射面约2λ的范围内有较好的聚焦，这使其应用受到了很大的限制。

2、聚集后的光束受到锥透镜的锥表面缺陷的影响而偏离理想的亚波长聚集能力，通常只能接近亚波长而没有能够完全进入亚波长区域。

而光纤对激光具有传输方便，传输效率高，模式耦合稳定的优点，而其出射端高质量聚焦光束的获得不仅可使多种亚波长应用提供巨大的导光位置的便利, 而且不必受空间光束变化由于温度或机械装置变化而偏离理想光轴中心,导致聚集质量下降的困扰。由此看出，设计一种集成于光纤端面的新型亚波长聚焦透镜具有重大应用价值。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种集成于光纤端面的亚波长聚焦透镜，该透镜聚焦光斑小，与光纤集成一体，且通光效率高。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种集成于光纤端面的亚波长聚焦透镜，该透镜基本结构为与光纤对接的正立圆台，圆台上端面为空心的倒立圆锥；其中，在入射波长区间为400～1600nm，透镜折射率与耦合光纤折射率相接近，范围为1.4~1.7的情况下，透镜的入射口径D变化范围在8~40um，高度H变化范围在50~400um，透镜的外锥角度Angle1变化范围在20~60度，透镜的内锥角度Angle2变化范围在10~40度。

本发明的有益效果是：

（1）本发明的亚波长聚焦透镜结构简单，可行性高，聚焦光束最细处FWHM可达到0.3λ。

（2）本发明与光纤集成，使用方便，且通光效率高。

附图说明

图1为本发明集成于光纤端面的亚波长聚焦透镜的几何结构示意图；

图2为本发明集成于光纤端面的亚波长聚焦透镜的聚焦光束半高宽度轮廓图（沿Z传播，输出端面在73um处，X方向经过归一化）；

    图3为本发明集成于光纤端面的亚波长聚焦透镜在输入波长为1550nm，透镜折射率为1.45，透镜高度为70um，外锥角度为66度，内锥角度为19度的情况下，聚焦光束在出射端面后12um处的FWHM及聚焦光束能量（最大光强/入射光强）随透镜出射口径D的变化曲线；

    图4为本发明集成于光纤端面的亚波长聚焦透镜在输入波长为1550nm，透镜折射率为1.45，透镜高度为70um，出射口径D为18um，内锥角度为19度的情况下，聚焦光束在出射端面后12um处的FWHM及聚焦光束能量（最大光强/入射光强）随透镜外锥角度Angle1的变化曲线；

    图5为本发明集成于光纤端面的亚波长聚焦透镜在输入波长为1550nm，透镜折射率为1.45，透镜高度为70um，出射口径D为20um，外锥角度为20度的情况下，聚焦光束在出射端面后12um处的FWHM及聚焦光束能量（最大光强/入射光强）随透镜内锥角度Angle2的变化曲线；

    图6为本发明集成于光纤端面的亚波长聚焦透镜在输入波长为1550nm，透镜折射率为1.45，透镜出射口径为18um，外锥角度为46度，内锥角度为19度的情况下，聚焦光束在出射端面后12um处的FWHM及聚焦光束能量（最大光强/入射光强）随透镜高度H的变化曲线。

具体实施方式

本发明实现光纤上亚波长聚焦的锥形透镜的设计步骤如下：

（1）确定入射波长、透镜的基本结构及透镜折射率。传统的锥透镜可以将高斯光束转化成近贝塞尔光束，这种透镜用于亚波长聚焦的问题在于，只有在紧靠透镜出射面约2λ的范围内有较好的聚焦，这使其应用受到了很大的限制。所以本设计在传统锥透镜前端加一个锥孔，使聚焦光束产生在远场，并能在一段较长的距离都保持良好的聚焦效果；

（2）设计透镜模型，透镜主要参数包括：出射口径D，外锥角度Angle1，内锥角度Angle2，透镜高度H；

（3）利用软件如3D-BPM计算锥形透镜的各结构参数对聚焦光束的FWHM、能量的影响。

从出射口径D对聚焦光束的影响（附图3），可看出在别的参数固定的情况下，随着出射口径的增大，聚焦光束的FWHM减小，但同时聚焦光束的能量也在减小。故在选择出射口径时要兼顾这两方面的因素，选择能达到两项要求的D，要注意的是，在别的参数变化的情况下，经验证D的曲线形式不变，但具体数值会发生变化。

从外锥角度Angle1对聚焦光束的影响（附图4），可看出在别的参数固定的情况下，随着外锥角度的增大，聚焦光束的FWHM减小，聚焦光束的能量先增大后减小。故在选择出射口径时要兼顾这两方面的因素，选择能达到两项要求的Angle1，同样，在别的参数变化的情况下，经验证D的曲线形式不变，但具体数值会发生变化。

从内锥角度Angle2对聚焦光束的影响（附图5），可看出在别的参数固定的情况下，随着内锥角度的增大，聚焦光束的FWHM减小，聚焦光束的能量先增大后减小。故在选择出射口径时要兼顾这两方面的因素，选择能达到两项要求的Angle2。

在分析Angle1与Angle2的结果后不难发现两者对聚焦光束（尤其是FWHM）比较相似，经过仿真验证（如下表），聚焦光束的粗细事实上由内外锥的夹角决定，夹角越大则FWHM越小。但聚焦的能量不由夹角固定，这是由于内外锥角对能量的影响方式不同，另外需注意的是，在内锥的变化范围受到能量及实际加工工艺的限制，可变化范围要比外锥角度小得多。仿真结果显示，夹角为20~40度聚焦效果较好（还要受到出射口径以及透镜高度的影响）。

从透镜高度H对聚焦光束的影响（附图6），可看出别的参数固定的情况下，随着聚高度的增大，高斯光束在透镜内开始扩散，造成的结果就是聚焦光束的FWHM缓慢增大，而聚焦光束的能量先增大后减小。所以在选着H的时候，也要兼顾这两方面的因素，选着合适的H，要注意的是，在别的参数变化的情况下，经验证H的曲线形式不变，但具体数值会发生变化；

（4）根据得到的结构参数与聚焦光束的关系，确定透镜的参数范围以实现较为理想的亚波长聚焦。

透镜基本结构为与光纤对接的正立圆台，圆台上端面为空心的倒立圆锥。在入射波长区间为400～1600nm，透镜折射率与耦合光纤折射率相接近，范围为1.4~1.7的情况下，透镜的入射口径D变化范围在8~40um，高度H变化范围在50~400um，透镜的外锥角度Angle1变化范围在20~60度，透镜的内锥角度Angle2变化范围在10~40度。

下面结合附图及实施例对发明进一步详细说明，但是本发明的保护范围并不限于下列实施例，应包含权利要求书中的全部内容，而且本领域的技术人员从以下的一个实施例即可实现权利要求中的全部内容。

如图1所示，为透镜的结构示意图。透镜基本结构为与光纤对接的正立圆台，以及圆台上端面空心的倒立圆锥。

实施例1

一种实现光纤上亚波长聚焦的锥形透镜的结构示意图如图1所示，具体的设计过程如下：

（1）确定透镜前端的光纤结构，芯层半径8.3um/折射率1.4675，包层半径125um/折射率1.4622。

（2）选取入射波长为1550nm，透镜折射率为1.45。

（3）确定透镜的出射口径为D=18um，透镜的高度为70um。

（4）确定透镜的外锥角度为40度，内锥角度为19度。

（5）利用步骤（1）（2）（3）所确定的参数，使用3D-BPM进行仿真计算。

仿真结果如图2所示，在透镜出射端面后0~15um范围内，聚焦光束截面上的FWHM从0.531um变化到0.870um，另测得此区域聚焦光斑光强均大于入射光强，且聚焦光斑最高光强约为入射光强4倍。由此可见，该透镜结构可以在透镜出射面后十几微米的范围内较好地实现亚波长聚焦。考虑设计实际与光纤集成，则该形透镜实现了光纤上的亚波长聚焦。

（6）利用（5）所确定的参数，对光纤端面进行微加工，如FIB milling （focused ion beam milling， 聚集离子束铣切） 可制作该设计透镜的母版，由此母版可采用接触形微纳技术进行模具制作（如软光刻技术）。 应用制成的模具可以将光学高聚物成型于光纤端面，从而实现该种集成型亚波长透镜的批量生产。

实施例2

该例与实施例1的不同点是：透镜出射口径D增大至30um，外锥角度减小至20度，内锥角度增大至28.5度。此时在透镜出射端面后0~15um范围内，聚焦光束截面上的FWHM从0.662um变化到0.849um，另测得此区域聚焦光斑光强均大于入射光强，且聚焦光斑最高光强约为入射光强5倍，即该参数的透镜也可实现光纤上的亚波长聚焦。

实施例3

该例与实施例1的不同点是：透镜高度增大至300um，外锥角度增大为46度。此时在透镜出射端面后11~18um范围内，聚焦光束截面上的FWHM从0.737um变化到0.982um，另测得此区域聚焦光斑光强均大于入射光强，且最高光强约为入射光强5.3倍，即该参数的透镜也可实现光纤上的亚波长聚焦。

实施例4

该例与实施例1的不同点是：入射波长改为650nm，透镜出射口径D减小至12um，外锥角度减小至30度。此时在透镜出射端面后2~12um范围内，聚焦光束截面上的FWHM从0.308um变化到0.434um，另测得此区域聚焦光斑光强均大于入射光强，且聚焦光斑最高光强约为入射光强13倍，即该参数的透镜也可实现光纤上的亚波长聚焦。

Claims (1)

1.一种集成于光纤端面的亚波长聚焦透镜，其特征在于，该透镜基本结构为与光纤对接的正立圆台，圆台上端面为空心的倒立圆锥；其中，在入射波长区间为400～1600nm，透镜折射率与耦合光纤折射率相接近，范围为1.4~1.7的情况下，透镜的入射口径D变化范围在8~40um，高度H变化范围在50~400um，透镜的透镜的外锥角度Angle1变化范围在20~60度，透镜的透镜的内锥角度Angle2变化范围在10~40度。

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