CN107907922A - 像点位置可调光子晶体亚波长多重成像器件 - Google Patents

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牛金科
梁斌明
马宏亮
庄松林
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Abstract

本发明涉及一种像点位置可调光子晶体亚波长多重成像器件，相同半径圆形空气柱按照等边三角形晶格周期性排列在基底硅介质中，其中，基底介质硅的折射率为3.45，整个光子晶体结构也为等边三角形结构硅介质，为了使多重像点成像的半宽更小，对三角形光子晶体的三边边缘圆柱形空气柱进行切割，当圆柱形空气柱切割去除比例达到其半径的20%时可以得到最好的成像效果。整个器件结构简单，成像精度高，光源点和像点位置灵活，可操作性强，适合特定的亚波长多重成像系统。光子晶体边缘空气柱的切割有利于光源的传播，光源的横向位移增强像点的灵活性。

Description

像点位置可调光子晶体亚波长多重成像器件
技术领域
本发明涉及一种成像器件，特别涉及一种基于空气柱型二维光子晶体负折射效应的像点位置可调光子晶体亚波长多重成像器件。
背景技术
1968年Veselego首次提出了左手材料的概念，这种特殊材料同时具有负的磁导率和负的介电常数，能够实现光的负折射和亚波长成像等。光子晶体是一种人造晶体，虽然其本身不具有负的磁导率和负的介电常数，但光子晶体能带特殊的色散关系会导致群速度和相速度传播方向相反来实现等效的负折射率，可以对一定频率的光产生负折射和亚波长成像效果。光子晶体由两种或者两种以上折射率不同的材料周期性排列组成，相比一般的金属波导，光子晶体在高频波段时损耗相对较小。基于光子晶体负折射和亚波长成像特性设计的光学器件得到了广泛的关注，和其他的光学器件相比较，光子晶体光器件具有体积小，制造难度相对较低，不收外界电磁环境的影响且易于集成等优点。根据Veselago等人的研究制作的超透镜可放大倏逝波，获得高质量的成像；Xia等人也基于周期排列的光子晶体实现了负折射；Dastjerdi等人则实现了方形晶格光子晶体近红外亚波长成像。
总之，上述系统基本只验证了光子晶体负折射和亚波长成像特性，大都是单一成像和像点固定成像，且其或多或少存在着精度不高，结构复杂不易于加工等缺点。
发明内容
本发明是针对现在光子晶体亚波长成像器件存在的问题，提出了一种像点位置可调光子晶体亚波长多重成像器件，空气柱型的光子晶体具有加工方便、操作方便，且易于集成利用等优点。
本发明的技术方案为：一种像点位置可调光子晶体亚波长多重成像器件，其特征在于，整个光子晶体结构为等边三角形结构等厚度的基底硅介质，硅介质的折射率为3.45，相同半径圆柱形空气柱按照等边三角形晶格周期性排列在基底硅介质中，圆柱形空气柱与硅介质基底等厚，圆柱形空气柱前后穿透介质基底，等边三角形光子晶体的三边边缘圆柱形空气柱进行切割，使所有边缘圆柱形空气柱被切割，d＝0.8r，d为边缘圆柱形空气柱的被切割边到圆柱形空气柱圆心垂直距离，r为圆柱形空气柱半径，入射点光源入射到等边三角形空气柱型光子晶体底边上，光束通过等边三角形光子晶体，在等边三角形两侧界面上发生负折射，分别汇聚到硅介质外一点，形成两个亚波长成像点。
所述圆柱形空气柱半径r在0.3964a至0.4058a范围内，其中a为光子晶体晶格常数。
本发明的有益效果在于：本发明像点位置可调光子晶体亚波长多重成像器件，整个器件结构简单，成像精度高，光源点和像点位置灵活，可操作性强，适合特定的亚波长多重成像系统。光子晶体边缘空气柱的切割有利于光源的传播，光源的横向位移增强像点的灵活性。光源位于光子晶体底边中点处可得到半宽为0.578λ的两个对称像点；光源点横向移动，在横坐标为-8μm处分别得到半宽为0.472λ和0.713λ的两个非对称像点。根据光源点横向位置的变化可以准确的得到两侧像点的位置变化，实现像点的精确定位。
附图说明
图1为本发明光子晶体的等边三角形晶格周期性排列和切割示意图；
图2为本发明像点位置可调光子晶体亚波长多重成像器件结构示意图；
图3为本发明等边三角形光子晶体亚波长多重成像效果图；
图4为本发明等边三角形光子晶体所得到image1亚波长成像点处的探测器输出值图；
图5为本发明点光源位移变化，移动到x＝-8μm处时的多重亚波长成像示意图；图6a为本发明点光源在x＝-8μm处时左侧像点image1的峰值半宽图；
图6b为本发明点光源在x＝-8μm处时右侧像点image2的峰值半宽图；
图7为本发明点光源横向位置发生变化时的像点位置变化图；
图8为本发明空气柱半径r＝0.4015a时点光源移动的过程中两侧像点的半宽变化曲线图；
图9a为本发明空气柱半径r＝0.3964a时光源移动的过程中两侧像点的半宽变化曲线图；
图9b为本发明空气柱半径r＝0.4058a时光源移动的过程中两侧像点的半宽变化曲线图。
具体实施方式
基于二维光子晶体负折射效应的像点位置可调亚波长多重成像器件主要是光子晶体的参数设置。如图1所示本发明光子晶体的等边三角形晶格周期性排列和切割示意图，在本技术方案中，整个光子晶体结构为等厚度的等边三角形结构基底硅介质，相同半径圆柱形空气柱按照等边三角形晶格周期性排列在基底硅介质中,圆柱形空气柱与硅介质基底等厚，圆柱形空气柱前后穿透介质基底。其中，基底介质硅的折射率为3.45，空气的折射率为1。为了使多重像点成像的半宽更小，对等边三角形光子晶体的三边边缘圆柱形空气柱进行切割，实验结果显示当圆柱形空气柱切割去除比例达到其半径的20％时可以得到最好的成像效果。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＝3.45；圆柱形空气柱半径r＝0.4015a；等边三角形光子晶体边长L＝50a；入射波长λ＝1.55μm，d＝0.8r，d为边缘圆柱形空气柱的被切割边到圆柱形空气柱圆心垂直距离。
如图2所示像点位置可调亚波长多重光子晶体成像器件结构示意图，入射点光源1入射到等边三角形空气柱型光子晶体5底边上，光束通过等边三角形光子晶体5，在等边三角形两侧界面上发生负折射，4为左侧负折射光束；6为右侧负折射出射光束。两侧负折射光束4和6出射之后，分别汇聚到一点，形成亚波长成像点2(image1)和亚波长像点3(image2)，并且呈圆形向外扩散，如图3所示等边三角形光子晶体亚波长多重成像效果图，图中：peakvalue为像点峰值，Half-width为像点半宽。此时归一化峰值为0.62，半宽为0.578λ。由于光子晶体结构对称，且光源横坐标位于底边中点，所以此时左右像点对称。
基于光子晶体负折射效应的亚波长多重成像器件的工作方法及步骤：
本器件选定的点光源入射波长为1.55μm，此波长光源的激光器发展成熟，已经被大量使用。采用等边三角形光子晶体后，对光子晶体边缘进行切割，达到最好的成像想效果。将光源起始位置定位距离下表面0.3μm处，横向位置为于光子晶体底边的中点，即x＝0μm处。光源经过等边三角形光子晶体后在两侧边发生负折射出射，并分别汇聚于一点，如图3所示，在两侧形成两个清晰的亚波长像点。此时对称像点的坐标分别为image1：(-18.43,4.13)，image2：(18.43，4.13)。图4为等边三角形光子晶体所得到image1亚波长成像点处的探测器输出值图。
将光源起始位置定位距离下表面为3μm处，向左水平移动点光源，当光源横向位置位于x＝-8时光源穿过等边三角形光子晶体在两侧成像的光路如图5所示。此时两像点的坐标分别为image1：(-14.47,-2.85)，image2：(21.05,10.22)。如图6a所示点光源在x＝-8μm处时左侧像点image1的峰值半宽图和图6b所示点光源在x＝-8μm处时右侧像点image2的峰值半宽图，两侧像点半宽都小于一个波长，实现了亚波长多重成像。
根据入射点x＝0μm处检测出来的数据，及参数测试可得到image1的坐标方程为x1＝0.495|X|-18.43/z1＝0.8725|X|-4.13；image2的坐标方程为x2＝0.3275|X|+18.43/z2＝0.761|X|+4.13；X是点光源的横坐标，x1和z1是image1的横坐标和纵坐标；x2和z2是image2的横坐标和纵坐标。
图7为点光源横向位置发生变化时的像点位置变化图，图中：点光源横向位置由0到-8μm，左侧像点靠近光子晶体，右侧像点远离光子晶体，箭头为点光源和像点的移动方向。图8为空气柱半径r＝0.4015a时点光源移动的过程中两侧像点的半宽变化曲线图。
为了降低光子晶体制备难度，本器件同时支持不同波导宽度，即不同空气柱半径的的亚波长多重成像，在r＝0.3964a和r＝0.4058a范围内都能得到两个半宽小于一个波长的像点。像点半宽随光源位移变化曲线分别如图9a和图9b所示。在这一波导范围仍然可实现像点位置可调的亚波长多重成像。

Claims (2)

1.一种像点位置可调光子晶体亚波长多重成像器件，其特征在于，整个光子晶体结构为等边三角形结构等厚度的基底硅介质，硅介质的折射率为3.45，相同半径圆柱形空气柱按照等边三角形晶格周期性排列在基底硅介质中，圆柱形空气柱与硅介质基底等厚，圆柱形空气柱前后穿透介质基底，等边三角形光子晶体的三边边缘圆柱形空气柱进行切割，使所有边缘圆柱形空气柱被切割，d=0.8r，d为边缘圆柱形空气柱的被切割边到圆柱形空气柱圆心垂直距离，r为圆柱形空气柱半径，入射点光源入射到等边三角形空气柱型光子晶体底边上，光束通过等边三角形光子晶体，在等边三角形两侧界面上发生负折射，分别汇聚到硅介质外一点，形成两个亚波长成像点。
2.根据权利要求1所述像点位置可调光子晶体亚波长多重成像器件，其特征在于，所述圆柱形空气柱半径r在0.3964a至0.4058a范围内，其中a为光子晶体晶格常数。
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