CN105938207A - 基于二维光子晶体负折射效应的亚波长成像器件 - Google Patents

基于二维光子晶体负折射效应的亚波长成像器件 Download PDF

Info

Publication number
CN105938207A
CN105938207A CN201610530520.2A CN201610530520A CN105938207A CN 105938207 A CN105938207 A CN 105938207A CN 201610530520 A CN201610530520 A CN 201610530520A CN 105938207 A CN105938207 A CN 105938207A
Authority
CN
China
Prior art keywords
photonic crystal
sub
negative refraction
wavelength
base
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201610530520.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105938207B (zh
Inventor
梁斌明
马宏亮
庄松林
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Shanghai for Science and Technology
Original Assignee
University of Shanghai for Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Shanghai for Science and Technology filed Critical University of Shanghai for Science and Technology
Priority to CN201610530520.2A priority Critical patent/CN105938207B/zh
Publication of CN105938207A publication Critical patent/CN105938207A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105938207B publication Critical patent/CN105938207B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/002—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials
    • G02B1/005—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials made of photonic crystals or photonic band gap materials
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/002—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials
    • G02B1/007—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of materials engineered to provide properties not available in nature, e.g. metamaterials made of negative effective refractive index materials

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Abstract

本发明涉及一种基于二维光子晶体负折射效应的亚波长成像器件，由两块内部结构相同的光子晶体左右放置组成，光线经过右边光子晶体的负折射后，出射汇聚到两光子晶体之间，接着光线继续入射到左边光子晶体，再经历一次负折射后，汇聚到左边光子晶体下方一点，为亚波长成像点，亚波长成像点与入射点光源在同一水平线上，实现了180°成像。器件结构非常简单，体积小巧，性能稳定可靠，适合特定的亚波长成像系统中。通过对光子晶体边缘空气孔半径进行一定比例的切除处理，可以极大地提高能量透过率。相比添加复杂的衍射光栅，切除更加易于加工制造。器件无需花费精力去调整复杂的光路，固定器件之后，整个成像过程中也不需要人为调整任何参数设置。

Description

基于二维光子晶体负折射效应的亚波长成像器件
技术领域
本发明涉及一种光学成像器件，特别涉及一种基于二维光子晶体负折射效应的亚波长成像器件。
背景技术
光子晶体的概念最早是在1987年提出的。光子晶体是一种按照晶体的结构对称性制备的周期性微介电结构材料，其最基本的特性就是具有光子禁带。频率在光子禁带频率内的光不能在光子晶体中传播。负折射现象是俄国科学家Veselago 在1968 年提出的：当光波从具有正折射率的材料入射到具有负折射率材料的界面时，光波的折射与常规折射相反，入射波和折射波处于界面法线方向同一侧。直到本世纪初这种具有负折射率的材料才被制备出来。光在光子晶体中传播时会出现负折射现象，而光子晶体的负折射效应会受某些特征参数影响。基于光子晶体的光电器件最近得到了广泛的研究开发，相较于其他的光电器件，光子晶体器件具有体积小，易于集成以及器件不受外界电磁环境影响等优点。这些特点为光电子器件向高度集成化发展提供了新的应用前景。Li等指出利用光子晶体平板可以实现高质量的近场成像。这方面的实验由Belov等完成，但仅限于微波波段。近年来，基于双曲色散的负折射材料也广泛的被研究，而且也能实现宽频带超分辨成像。
总之，上述各种实现亚波长的系统或多或少都存在着结构复杂、精度有限、操作困难的缺陷。
发明内容
本发明是针对现有亚波长成像器件存在的问题，提出了一种基于二维光子晶体负折射效应的亚波长成像器件，具有结构简单、体积小巧、加工方便、成像效果好、操作方便的优点。
本发明的技术方案为：一种基于二维光子晶体负折射效应的亚波长成像器件，由两块内部结构相同的光子晶体左右放置组成，两光子晶体的底边和一个斜边经过边缘切除处理后，所得底边和斜边夹角相等，右边一块光子晶体底边向下斜边向左水平放，左边一块光子晶体底边垂直水平方向正对右边光子晶体并且斜边向下放置；右边光子晶体底边下侧放置点光源，光线从底边入射经过右边光子晶体的负折射后，从斜边出射汇聚到两光子晶体之间，接着汇聚的光线继续入射到左边光子晶体底边，再经历一次负折射后，汇聚到左边光子晶体斜边下方一点，为亚波长成像点，所成的亚波长成像点与入射点光源在同一水平线上，实现了180°成像。
所述光子晶体由圆形空气孔按照六边形晶格周期性排列的光子晶体边缘切除处理所得。
所述光子晶体进行边缘切除，边缘的空气孔按统一的比例切除。
所述光子晶体基底介质为硅介质，折射率为3.4，切除边缘空气孔半径的20%，光子晶体晶格常数a=0.482μm；空气柱半径r=0.1976μm；入射波长1.54μm≤λ≤1.59μm。
所述两个光子晶体的底边与斜边相交的顶点相距0.67μm，光源入射点在右边光子晶体底边下侧0.2μm处。
本发明的有益效果在于：本发明基于二维光子晶体负折射效应的亚波长成像器件，整个器件结构非常简单，体积小巧，性能稳定可靠，适合特定的亚波长成像系统中。通过对光子晶体边缘空气孔半径进行一定比例的切除处理，可以极大地提高能量透过率。相比添加复杂的衍射光栅，这种切除方式更加易于加工制造。该种器件无需花费精力去调整复杂的光路，固定器件之后，整个成像过程中也不需要人为调整任何参数设置。
附图说明
图1为本发明单块基于光子晶体负折射效应的亚波长成像器件的横切面示意图；
图2为本发明单块光子晶体的亚波长成像效果图；
图3为光子晶体的六边形晶格周期性排列示意图；
图4为本发明对光子晶体边缘切除处理的示意图；
图5为本发明单块光子晶体所得到亚波长成像点处的探测器输出值图；
图6为本发明单块光子晶体时波长变化对亚波长成像的影响示意图；
图7为本发明两块光子晶体组合在一起后的亚波长成像效果图；
图8为本发明光线通过两块组合光子晶体后所得亚波长成像点处的探测器输出值图。
具体实施方式
如图1单块基于光子晶体负折射效应的亚波长成像器件的横切面示意图，光子晶体5为直角梯形光子晶体，入射点光源1位于斜边和底边的下方，入射点光源1的光从底边垂直入射到光子晶体5上，光束通过光子晶体5，在斜边发生反射和负折射，2为反射光束，3为负折射光束。负折射光束3从斜边出射之后，汇聚到一点，形成亚波长成像点4，并且呈圆形向外扩散，如效果图2，图中point source为入射点光源；image为亚波长成像点。
基于光子晶体负折射效应的亚波长器件的工作方法如下：
本器件选定的点光源入射波长为1.55μm，此波长的激光器以及传输设备已经发展的很成熟并且经常被使用，可以很方便的搭配本器件使用。采用单块光子晶体平板时，对光子晶体边缘切割处理后，将点光源放置在距离平板下方0.2μm处，光线经过光子晶体的负折射后，在平板左侧形成清晰的亚波长成像点，该成像点与点光源不在同一个方向上，如图1、2所示。
如图3所示光子晶体的六边形晶格周期性排列示意图，内部为周期排列的圆形空气孔，如图4为对光子晶体边缘切除处理的示意图，r为空气孔半径；切除时使两个边缘的空气孔圆心到边缘距离d=0.8r，此时成像点处的能量透过率最高，所得到的亚波长成像点的半宽较小，具体底边和斜边切除比例按光子晶体的结构定，仅需对光子晶体两个边进行边缘切除处理，并保证两个边切除比例相同。
基于光子晶体负折射效应的亚波长成像器件主要是光子晶体的参数设置。在本技术方案中，圆形空气孔按照六边形晶格周期性排列在基底介质中，构成完整的光子晶体。其中，基底介质为硅介质，折射率为3.4。为了增加成像点的能量透过率，要对光子晶体边缘进行切割处理，实验证明最佳的比例是切除边缘空气孔半径的20%。整个结构参数选取如下：光子晶体晶格常数a=0.482μm；介质（Si）折射率n=3.4；空气柱半径r=0.1976μm；入射波长λ=1.55μm。
如图5为单块光子晶体所得到亚波长成像点处的探测器输出值，如图6为单块光子晶体时波长变化对亚波长成像的影响，图中：入射波长λ从1.54μm变化到1.59μm时，半宽基本低于0.5λ。
采用组合的光子晶体平板时，即把已经经过两个边缘切除处理的，结构相同的另一单块的光子晶体逆时针旋转90°，如图7所示放置，使两个光子晶体的底边与斜边相交的顶点相距0.67μm，在右侧光子晶体平板下侧0.2μm处放置点光源，光线经过右侧光子晶体平板的负折射后，汇聚到两光子晶体平板之间，接着汇聚的光线继续入射到左侧光子晶体平板，再经历一次负折射后，汇聚到左侧光子晶体平板斜边下方一点，所成的亚波长成像点与入射点光源几乎在同一水平线上，实现了180°成像，见图7中point source入射点光源和image亚波长成像点。图8为光线通过两块组合光子晶体后所得亚波长成像点处的探测器输出值。
单块光子晶体所成的像与点光源不在同一方向上，其半宽在0.45λ左右；再放置一块逆时针旋转90°的光子晶体，组合在一起的两块光子晶体几乎可以实现180°亚波长成像，通过调整两块光子晶体之间的角度和相对位置，我们可以实现不同方向不同位置的亚波长成像。

Claims (5)

1.一种基于二维光子晶体负折射效应的亚波长成像器件，其特征在于，由两块内部结构相同的光子晶体左右放置组成，两光子晶体的底边和一个斜边经过边缘切除处理后，所得底边和斜边夹角相等，右边一块光子晶体底边向下斜边向左水平放，左边一块光子晶体底边垂直水平方向正对右边光子晶体并且斜边向下放置；右边光子晶体底边下侧放置点光源，光线从底边入射经过右边光子晶体的负折射后，从斜边出射汇聚到两光子晶体之间，接着汇聚的光线继续入射到左边光子晶体底边，再经历一次负折射后，汇聚到左边光子晶体斜边下方一点，为亚波长成像点，所成的亚波长成像点与入射点光源在同一水平线上，实现了180°成像。
2.根据权利要求1所述基于二维光子晶体负折射效应的亚波长成像器件，其特征在于，所述光子晶体由圆形空气孔按照六边形晶格周期性排列的光子晶体边缘切除处理所得。
3.根据权利要求2所述基于二维光子晶体负折射效应的亚波长成像器件，其特征在于，所述光子晶体进行边缘切除，边缘的空气孔按统一的比例切除。
4.根据权利要求1或2所述基于二维光子晶体负折射效应的亚波长成像器件，其特征在于，所述光子晶体基底介质为硅介质，折射率为3.4，切除边缘空气孔半径的20%，光子晶体晶格常数a=0.482μm；空气柱半径r=0.1976μm；入射波长1.54μm≤λ≤1.59μm。
5.根据权利要求4所述基于二维光子晶体负折射效应的亚波长成像器件，其特征在于，所述两个光子晶体的底边与斜边相交的顶点相距0.67μm，光源入射点在右边光子晶体底边下侧0.2μm处。
CN201610530520.2A 2016-07-07 2016-07-07 基于二维光子晶体负折射效应的亚波长成像器件 Expired - Fee Related CN105938207B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610530520.2A CN105938207B (zh) 2016-07-07 2016-07-07 基于二维光子晶体负折射效应的亚波长成像器件

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610530520.2A CN105938207B (zh) 2016-07-07 2016-07-07 基于二维光子晶体负折射效应的亚波长成像器件

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105938207A true CN105938207A (zh) 2016-09-14
CN105938207B CN105938207B (zh) 2017-11-03

Family

ID=56872126

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610530520.2A Expired - Fee Related CN105938207B (zh) 2016-07-07 2016-07-07 基于二维光子晶体负折射效应的亚波长成像器件

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105938207B (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107907922A (zh) * 2017-12-06 2018-04-13 上海理工大学 像点位置可调光子晶体亚波长多重成像器件
CN108897075A (zh) * 2018-07-31 2018-11-27 上海理工大学 一种基于硅球及光子晶体负折射效应的亚波长成像器件
CN109839749A (zh) * 2019-04-02 2019-06-04 上海理工大学 变周期光栅光子晶体超分辨成像器件
CN114442207A (zh) * 2022-01-25 2022-05-06 国家纳米科学中心 一种范德华异质结负折射聚焦器件

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070065068A1 (en) * 2005-09-19 2007-03-22 Shih-Yuan Wang Method and apparatus for modifying an electromagnetic radiation beam
TW201024800A (en) * 2008-12-30 2010-07-01 Ind Tech Res Inst Negative refraction photonic crystal lens
CN102645418A (zh) * 2012-05-14 2012-08-22 上海理工大学 流体折射率探测器
CN105403936A (zh) * 2015-12-09 2016-03-16 南京邮电大学 一种柱矢量光束聚焦的负折射率光栅平凹镜

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070065068A1 (en) * 2005-09-19 2007-03-22 Shih-Yuan Wang Method and apparatus for modifying an electromagnetic radiation beam
TW201024800A (en) * 2008-12-30 2010-07-01 Ind Tech Res Inst Negative refraction photonic crystal lens
CN102645418A (zh) * 2012-05-14 2012-08-22 上海理工大学 流体折射率探测器
CN105403936A (zh) * 2015-12-09 2016-03-16 南京邮电大学 一种柱矢量光束聚焦的负折射率光栅平凹镜

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107907922A (zh) * 2017-12-06 2018-04-13 上海理工大学 像点位置可调光子晶体亚波长多重成像器件
CN108897075A (zh) * 2018-07-31 2018-11-27 上海理工大学 一种基于硅球及光子晶体负折射效应的亚波长成像器件
CN108897075B (zh) * 2018-07-31 2020-06-19 上海理工大学 一种基于硅球及光子晶体负折射效应的亚波长成像器件
CN109839749A (zh) * 2019-04-02 2019-06-04 上海理工大学 变周期光栅光子晶体超分辨成像器件
CN109839749B (zh) * 2019-04-02 2021-04-20 上海理工大学 变周期光栅光子晶体超分辨成像器件
CN114442207A (zh) * 2022-01-25 2022-05-06 国家纳米科学中心 一种范德华异质结负折射聚焦器件
CN114442207B (zh) * 2022-01-25 2024-06-21 国家纳米科学中心 一种范德华异质结负折射聚焦器件

Also Published As

Publication number Publication date
CN105938207B (zh) 2017-11-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Guo et al. Dielectric metasurface based high-efficiency polarization splitters
CN105938207A (zh) 基于二维光子晶体负折射效应的亚波长成像器件
CN110333560B (zh) 一种基于介质超表面的宽带消色差器件
CN110488484B (zh) 一种基于银纳米砖阵列的双通道红绿滤光片
CN111007587B (zh) 一种全介质、宽带偏振与相位调控超表面及远场超分辨聚焦器件
Khajavi et al. Compact and highly-efficient broadband surface grating antenna on a silicon platform
CN111175862B (zh) 一种全介质平场扫描超分辨平面透镜
Arbabi et al. Controlling the phase front of optical fiber beams using high contrast metastructures
CN100547440C (zh) 一种用于双光子微细加工的三维超分辨衍射光学器件及其设计方法
CN101614961B (zh) 部分环带光子筛及其制作方法
CN1818798B (zh) 在发光二极管上制作光子晶体掩膜层的方法和装置
CN113391384B (zh) 基于级联纳米微结构的片上定向整流超表面及其设计方法
CN103941337B (zh) 基于同构二维光子晶体的y型偏振滤波分束器
CN104882784A (zh) 一种用于大功率半导体激光器的合束输出耦合装置
CN204615152U (zh) 一种用于大功率半导体激光器的合束输出耦合装置
Peng et al. Metalens in improving imaging quality: advancements, challenges, and prospects for future display
CN101881844A (zh) 环带光子筛及其制作方法
Oliveto et al. Broadband asymmetric light transmission interfaces for luminescent solar concentrators
CN108897075B (zh) 一种基于硅球及光子晶体负折射效应的亚波长成像器件
CN104155718A (zh) 基于高折射率内圆外方空心柱的正方晶格光子晶体
CN116598790A (zh) 基于椭圆环形镂空石墨烯的宽带效率可调超透镜
CN105328330A (zh) 一种co2激光器及其外光路传输方法、系统
CN201707515U (zh) 一种非共线布喇格衍射波导型声光器件结构
CN103886928B (zh) 用于软X射线波段透射式Fibonacci薄膜透镜及其设计、制备方法
Darbe et al. Resonant dielectric high-contrast gratings as spectrum splitting optical elements for ultrahigh efficiency (> 50%) photovoltaics

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20171103

Termination date: 20200707

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee