CN106772727A - 一种柱矢量光束介质光栅长焦深聚焦透镜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柱矢量光束介质光栅长焦深聚焦透镜，所述透镜是由单一介质材料的负折射光栅构成的轴棱镜，入射面为平面，出射面为倒圆锥面。本发明提出一种由单一介质材料的负折射光栅构成的轴棱镜来实现对柱矢量光束的紧聚焦。这种透镜主要利用光线的直角偏折，不仅可以用于径向偏振光以形成光针形焦场，还可以用来聚焦旋向偏振光以形成光管形的焦场，而且形成的聚焦场能够达到半高宽的理论极限值。通过合理设计棱镜出射表面结构，改变光栅周期数可以实现对焦场的灵活调控，这就为光捕获、亚波长成像、超分辨率成像等相关领域提供技术参考。

Description

一种柱矢量光束介质光栅长焦深聚焦透镜
技术领域
本发明属于人工微结构材料领域，特别涉及一种用于柱矢量光束长焦深聚焦的负折射光栅轴棱镜。
背景技术
柱矢量光束由于具有独特的光强和偏振分布，其亚波长聚焦具有特殊的性质和广泛的应用。目前科研工作者们已经提出了许多不同的实现和调控方法，但是现有的各种方法都存在一定的局限。传统透镜难以实现更加紧致的聚焦，而等离激元透镜无法对两个正交的偏正态同时实现聚焦。
长焦深焦场可以用于粒子加速、荧光成像、二次谐波产生和拉曼光谱研究等等，吸引了科研工作者的广泛关注。传统的用于形成长焦深的透镜都存在一定的缺陷，如抛物面反射镜，由于所形成的焦点与入射光位于抛物面同侧，限制了焦场使用范围；再如表面等离子体激元透镜，其焦深受到近场聚焦的限制。
发明内容
本发明为了克服现有技术的缺陷，提供一种由单一介质光栅构成，能够对柱矢量光束实现长焦深聚焦的透镜。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种柱矢量光束介质光栅长焦深聚焦透镜，所述透镜是由单一介质材料的负折射光栅构成的轴棱镜，入射面为平面，出射面为倒圆锥面。
进一步的，透镜是以高度固定、外径相同而内径由下而上等量递增d∥的圆环光栅层叠构成，圆环内侧为竖直壁，圆环光栅层的顶角连线形成的倒圆锥面，内侧倒圆锥面呈柱对称结构的环形阶梯状，顶角连线与垂直面之间的夹角为θ。
进一步的，负折射光栅结构的高度为d⊥，根据入射波长调整光栅材料的折射率和结构参数d⊥使光栅结构满足负折射条件：neff＝n-λ/d⊥，neff为光栅结构的等效负折射率，n为材料的折射率，λ是工作波长。
进一步的，介质光栅锥面的结构由公式得出，通过改变光栅周期的d⊥和d∥，对透镜结构大小进行伸缩，从而实现特定工作波长下柱矢量光束的长焦深聚焦。
本申请提出一种由单一介质材料的负折射光栅构成的轴棱镜来实现对柱矢量光束的紧聚焦。这种透镜主要利用光线的直角偏折，不仅可以用于径向偏振光以形成光针形焦场，还可以用来聚焦旋向偏振光以形成光管形的焦场，而且形成的聚焦场能够达到半高宽的理论极限值。通过合理设计棱镜出射表面结构，改变光栅周期数可以实现对焦场的灵活调控，这就为光捕获、亚波长成像、超分辨率成像等相关领域提供技术参考。
本发明的有益效果是：本发明一种柱矢量光束介质光栅长焦深聚焦透镜，结构简单、制备容易，且能够实现对柱矢量光束的长焦深聚焦。
附图说明
图1是实施例光栅平锥透镜实现长焦深的表面结构设计与聚焦原理示意图。
图2是实施例光栅平锥镜实现径向偏振光长焦深聚焦的立体图。
图3(a)为径向偏振光实现光针型焦场r-z面的截面图；(b)为旋向偏振光实现光管型焦场r-z面的截面图。
图4(a)、(b)光栅周期为25时的光针型焦场r-z面的截面图以及它的光强分布示意图；(c)、(d)光栅周期为35时的光针型焦场r-z面的截面图以及它的光强分布示意图。
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。
如图1所示为光栅平锥透镜实现长焦深的表面结构设计图。
如图2所示为光栅平锥镜实现径向偏振光长焦深聚焦的立体图。
如图3所示，本实施例的介质光栅长焦深透镜，入射光为呈Bessel-Gaussian分布，为了在λ＝532nm的波段内具有负折射率，选定材料为GaN，设置光栅竖直高度和宽度d⊥＝d∥＝145nm，根据公式neff＝n-λ/d⊥计算得出等效负折射率为neff＝-1。
在本实施例中沿纵向的结构单元为35层，光栅平锥镜的结构由公式求出，且θ＝45°。
图3(a)、(b)分别给出了频率为λ＝532nm的呈Bessel-Gaussian分布的径向偏振光入射到该平锥镜，其r-z平面上的焦场分布图，由图可见在轴心处实现了长焦深聚焦。
由此实施例可以看出，本发明提出的平锥镜结构简易，可以实现对径向偏振光、旋向偏振光的长焦深聚焦，而且通过改变光栅周期可以实现焦场的伸缩。这说明本实施例的介质光栅平锥镜能够实现对柱矢量光束的长焦深聚焦。

Claims (4)

1.一种柱矢量光束介质光栅长焦深聚焦透镜，其特征在于：所述透镜是由单一介质材料的负折射光栅构成的轴棱镜，入射面为平面，出射面为倒圆锥面。
2.根据权利要求1所述的透镜，其特征在于：所述透镜是以高度固定、外径相同而内径由下而上等量递增d∥的圆环光栅层叠构成，圆环内侧为竖直壁，圆环光栅层的顶角连线形成的倒圆锥面，内侧倒圆锥面呈柱对称结构的环形阶梯状，顶角连线与垂直面之间的夹角为θ。
3.根据权利要求2所述的透镜，其特征在于：所述负折射光栅结构的高度为d⊥，根据入射波长调整光栅材料的折射率和结构参数d⊥使光栅结构满足负折射条件：neff＝n–λ/d⊥，neff为光栅结构的等效负折射率，n为材料的折射率，λ是工作波长。
4.根据权利要求3所述的透镜，其特征在于：所述介质光栅锥面的结构由公式得出，θ为光栅顶角连线与垂直面之间的夹角，neff为棱镜等效负折射率，通过改变光栅周期的d⊥和d∥，对透镜结构大小进行伸缩，从而实现特定工作波长下柱矢量光束的长焦深聚焦。
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Assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications Nantong Institute Limited

Assignor: Nanjing Post & Telecommunication Univ.

Contract record no.: X2019980001260

Denomination of invention: Dielectric grating long-focus deep-focusing lens of column vector light beam

Granted publication date: 20190709

License type: Common License

Record date: 20191224

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Assignee: NANJING UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS NANTONG INSTITUTE Co.,Ltd.

Assignor: NANJING University OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS

Contract record no.: X2019980001260

Date of cancellation: 20220304

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