CN105403936A - 一种柱矢量光束聚焦的负折射率光栅平凹镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柱矢量光束亚波长紧聚焦的负折射平凹镜，所述的平凹镜是由单一材料的负折射棱镜光栅构成，出射面为凹面。平凹镜是以高度固定而内径由下而上等量递增的圆环光栅层叠构成，呈柱对称结构的环形阶梯状，圆环内侧为竖直壁；所述凹面不是连续凹面，是由圆环光栅层的顶角连线形成的凹面，第k层光栅的顶角连线与垂直面之间的夹角为α_ik。本发明光栅平凹镜结构简单、设计流程简便、结构容易制备；对径向和旋向偏振光都能实现亚波长范围内紧聚焦。

Description

一种柱矢量光束聚焦的负折射率光栅平凹镜

技术领域

本发明属于光学材料领域，特别涉及一种用于柱矢量光束亚波长聚焦的负折射率光栅平凹镜。

背景技术

透镜作为一种最基本的光学工具，其在光学显微镜、高密度光存储、激光雕刻等领域发挥着重要的作用。随着科学技术的发展，众多领域向着高集成和高密度等领域发展的同时也对于光学元件的聚焦光斑提出了更高的要求。柱矢量光束作为一种矢量光束，其在柱坐标中的对称性使其具有区别于标量光束的奇特应用范围，在多个领域已经表现出潜在的应用价值。柱矢量光束从狭义上说可以分为径向偏振光和旋向偏振光。柱矢量光束的亚波长聚焦由于独特的强度分布和偏振表现出了特定特性和广泛的应用。

传统的透镜对柱矢量光束不能实现紧聚焦，并且焦点调制的灵活性受到限制。所以需要考虑亚波长光子领域的调控方法。等离激元透镜可以在亚波长规模实现径向偏振光的聚焦，并且结构紧凑，集成度高。但是，等离激元透镜需要正交偏振的同步调控，因此对不同偏振态的柱矢量光束亚波长紧聚焦无能为力。

不同偏正态的柱矢量光束的亚波长聚焦的已经通过使用一维光子晶体透镜的柱对称结构实现。一维光子晶体的负折射效应对TE和TM偏正态都是有效的。但是透镜是由两种或两种以上的材料构成，材料选取困难，制备难度高。因此，迫切需要一种结构简易，制作方便，且能对不同偏振态柱矢量光束实现紧聚焦的透镜。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种材料单一、制备简单并且对TE和TM偏正态都有效的负折射率光栅平凹镜。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种柱矢量光束亚波长紧聚焦的负折射平凹镜，所述的平凹镜是由单一材料的负折射棱镜光栅构成，出射面为凹面。

所述平凹镜是以高度固定而内径由下而上等量递增的圆环光栅层叠构成，呈柱对称结构的环形阶梯状，圆环内侧为竖直壁；所述凹面不是连续凹面，是由圆环光栅层的顶角连线形成的凹面，第k层光栅的顶角连线与与垂直面之间的夹角为α_ik。

所述每层圆环光栅层的高度为d_⊥，根据入射波长调整结构参数d_⊥使光栅结构满足负折射条件：n_eff＝n-/d_⊥，n_eff为光栅结构的等效负折射率，n为材料的折射率。

所述α_ik由以下公式得出： $\left\{\begin{array}{c}\tan \left({\mathrm{\α}}_{ik}\right)=\frac{d_{\⊥}}{r_k-r_{k-1}}\\ \tan ({\mathrm{\α}}_{ik}+|{\mathrm{\α}}_{rk}\left|\right)=\frac{\frac{r_k+r_{k-1}}{2}}{f-\frac{2k-1}{2}{d}_{\⊥}}\\ n_{eff}=\frac{\sin \left({\mathrm{\α}}_{rk}\right)}{\sin \left({\mathrm{\α}}_{ik}\right)}\end{array}\right.,$

α_rk为第k层光栅斜面法线与折射光线的夹角，f为焦距，r_k为第k级环内圆半径。

本发明的有益效果是：本发明一种柱矢量光束亚波长聚焦的负折射光栅平凹镜结构简单、设计流程简便、结构容易制备；对径向和旋向偏振光都能实现亚波长范围内紧聚焦。

附图说明

图1(a)为实施例棱栅的结构示意图，其中标志d为沿纵向的周期，(b)为棱栅的负折射效应实例。

图2为实施例光栅平凹镜在柱对称坐标系下r-z平面的截面图示意图，α_ik为平凹镜第k层光栅的斜面与垂直面之间的夹角，α_rk为第k层光栅的斜面法线与折射光线的夹角，f为焦距，r_k为第k级环半径。

图3为实施例光栅平凹镜在径向偏振光照射下r-z平面上的焦场分布图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例做详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

图1(a)为实施例棱栅的结构示意图，其中标志d为沿纵向的周期，(b)为棱栅的负折射效应实例。

如图2所示，本实施例的负折射率平凹镜，入射光为呈bessel-gauss分布，入射光频率为λ₀＝532nm。为了在λ₀＝532nm的波段内具有负折射率n_eff，通过计算选定材料为GaN。考虑直角三角形光栅的斜边端，设置参数d_⊥＝150nm，n＝2.67，λ＝532nm，等效负折射率为n_eff＝-0.88。

光栅平凹镜的结构由公式(1)求出，α_ik为平凹镜第k层光栅的斜面与垂直面之间的夹角，α_rk为第k层光栅的斜面法线与折射光线的夹角，f为焦距，r_k为第k级环内圆半径。

$\left\{\begin{array}{c}\tan \left({\mathrm{\α}}_{ik}\right)=\frac{d_{\⊥}}{r_k-r_{k-1}}\\ \tan ({\mathrm{\α}}_{ik}+|{\mathrm{\α}}_{rk}\left|\right)=\frac{\frac{r_k+r_{k-1}}{2}}{f-\frac{2k-1}{2}{d}_{\⊥}}\\ n_{eff}=\frac{\sin \left({\mathrm{\α}}_{rk}\right)}{\sin \left({\mathrm{\α}}_{ik}\right)}\end{array}\right.---\left(1\right)$

在本实施例中沿纵向的结构单元为30层，平凹镜的结构单元从下向上每一层圆环的内圆半径在表1中给出，整个平凹镜纵向高度为30*150＝4500nm，焦距f＝5μm。模拟结果f＝4.9μm。当入射光垂直平面端进入平凹镜，出射光相对入射光偏转90°形成焦场分布。

表1平凹镜各层内圆半径(单位：μm)

r1	r2	r3	r4	r5	r6	r7	r8	r9	r10
										1.6706	2.3635	2.8935	3.3389	3.7302	4.0829	4.4063	4.7065	4.9876	5.2527
r11	r12	r13	r14	r15	r16	r17	r18	r19	r20
										5.5041	5.7436	5.9726	6.1923	6.4037	6.6074	6.8042	6.9949	7.1798	7.3592
r21	r22	r23	r24	r25	r26	r27	r28	r29	r30
										7.5336	7.7034	7.869	8.0304	8.188	8.342	8.4927	8.64	8.7844	8.9259

图3给出了频率为λ₀＝532nm的呈bessel-gauss分布的径向偏振光入射到该平凹镜，其r-z平面上的焦场分布图，在焦距f＝4.9μm处实现了紧聚焦。

由此实施例可以看出，本发明提出的平凹镜可以实现对径向偏振光定焦距处的聚焦，而且结构简易。这说明本实施例的负折射率光栅平凹镜能够实现对柱矢量光束的长焦深亚波长聚焦。

Claims (4)

1.一种柱矢量光束亚波长紧聚焦的负折射平凹镜，其特征在于：所述的平凹镜是由单一材料的负折射棱镜光栅构成，出射面为凹面。

2.根据权利要求1所述的平凹镜，其特征在于：所述平凹镜是以高度固定而内径由下而上等量递增的圆环光栅层叠构成，呈柱对称结构的环形阶梯状，圆环内侧为竖直壁；所述凹面不是连续凹面，是由圆环光栅层的顶角连线形成的凹面，第k层光栅的顶角连线与与垂直面之间的夹角为α_ik。

3.根据权利要求2所述的平凹镜，其特征在于：所述每层圆环光栅层的高度为d_⊥，根据入射波长调整结构参数d_⊥使光栅结构满足负折射条件：n_eff＝n-/d_⊥，n_eff为光栅结构的等效负折射率，n为材料的折射率。

4.根据权利要求3所述的平凹镜，其特征在于：所述α_ik由以下公式得出：

$\left\{\begin{array}{c}\tan \left({\mathrm{\α}}_{ik}\right)=\frac{d_{\⊥}}{r_k-r_{k-1}}\\ \tan \left({\mathrm{\α}}_{ik}+\left|{\mathrm{\α}}_{rk}\right|\right)=\frac{\frac{r_k+r_{k-1}}{2}}{f-\frac{2k-1}{2}{d}_{\⊥}}\\ n_{eff}=\frac{\sin \left({\mathrm{\α}}_{rk}\right)}{\sin \left({\mathrm{\α}}_{ik}\right)}\end{array}\right.,$

α_rk为第k层光栅的斜面法线与折射光线的夹角，f为焦距，r_k为第k级环内圆半径。