CN108897075B - 一种基于硅球及光子晶体负折射效应的亚波长成像器件 - Google Patents

一种基于硅球及光子晶体负折射效应的亚波长成像器件 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于硅球及光子晶体负折射效应的亚波长成像器件，包括纵向布置的硅球和光子晶体；硅球放置在光子晶体的底边的下方；硅球的下方放置光源；光源输出的光线入射到硅球下表面，经过硅球的一次亚波长成像后，在硅球的上表面形成亚波长聚焦光斑，亚波长聚焦光斑向外扩散，依次从光子晶体的底边和斜边经过负折射后，负折射光束汇聚到光子晶体斜边外的一点，形成亚波长成像点。本发明基于硅球与光子晶体负折射效应的亚波长成像组合器件主要是光子晶体和硅球的参数设置，可得到半宽小于0.3λ的亚波长成像。整个器件体积小巧，固定该器件之后，整个成像过程中也不需要人为调整任何参数设置，操作简单且性能稳定可靠。

Description

一种基于硅球及光子晶体负折射效应的亚波长成像器件
技术领域
本发明涉及光学成像器件领域，尤其涉及一种基于硅球及光子晶体负折射效应的亚波长成像器件。
背景技术
1968年，前苏联科学家VG Veselago预测了介质的介电常数ε和磁导率μ均小于0的人工材料。基于这种负折射材料，Pendry提出了超透镜理论。这种完美透镜在微波段演示了亚波长聚焦效应，而作为最常用的负折射材料之一的光子晶体在红外光波段也已经可以实现焦斑半径小于半个波长的亚波长成像。目前，很多关于实现亚波长成像的研究都朝着更小半宽和远场成像两个方向进行。然而绝大多数只能在近场实现最小半宽为0.4λ以上的亚波长成像。Gou等人指出在一定折射率范围内的微米球由于其自身固有的正球差和接近波长的通光孔径而产生的负球差可以相互抵消。在近似的零球差和高数值孔径的作用下，进平行光照射能够得到最小宽度为1/3λ的亚波长聚焦光斑，但光斑离球面太近无法用于光刻等实际应用，即存在应用困难的缺陷。
因此，由上述可知，现有技术中的各种实现亚波长的系统存在半宽过大、应用困难的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于硅球及光子晶体负折射效应的亚波长成像器件，解决了现有技术中存在的缺陷，其半宽小于1/3λ，结构简单、适用于特定的亚波长成像系统。为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种基于硅球及光子晶体负折射效应的亚波长成像器件，包括纵向布置的硅球和光子晶体；所述硅球放置在所述光子晶体底边的一侧；
其中，所述光子晶体的底边经过边缘切除处理；所述光子晶体的斜边上设置多个等周期的光栅；
所述光子晶体基底介质为硅介质，折射率为3.4，切除底边边缘空气孔半径的5％～35％，光子晶体晶格常数0.482μm；空气孔半径0.17593μm；入射波长1.54μm≤λ≤1.62μm；
所述硅球远离光子晶体的一侧放置光源；所述光源输出的平行光线入射至所述硅球的下表面，经过所述硅球的一次亚波长成像后，在所述硅球的上表面形成亚波长聚焦光斑，所述亚波长聚焦光斑向外扩散，并依次从所述光子晶体的底边和斜边经过负折射后汇聚到光子晶体斜边外的一点，形成亚波长成像点。
优选地，靠近底边的光栅与所述底边和斜边交点处的距离范围为0.07μm～0.29μm；
所述光栅的内端口的宽度0.342μm；
所述光栅的外端口的宽度0.376μm；
所述内端口与斜边边缘处的空气孔的圆心距离为0.246μm；
所述外端口与斜边边缘处的空气孔的圆心距离为0.464μm。
优选地，所述空气孔形成空气柱；所述空气柱按照六边形晶格周期性排列。
优选地，所述周期为0.482μm。
优选地，所述硅球的折射率为3.4，曲率半径范围0.468～0.54或-0.468～-0.54；所述硅球上表面与所述底边的最小距离为0.2μm～1μm；所述硅球的中心与所述尖角的水平距离1.5μm～4μm。
优选地，进一步包括透镜；所述透镜设置在所述光源和硅球之间；所述光源输出的平行光线经过所述透镜，垂直聚焦在所述硅球的下表面。
优选地，所述透镜的曲率半径为3500或-3500；所述透镜与所述硅球下表面的最小垂直距离1537μm～1547μm。
与现有技术相比，本发明的优点为：
(1)整个器件体积小巧，无需花费时间去调整复杂的光路，固定该器件之后，整个成像过程中也不需要人为调整任何参数设置，操作简单且性能稳定可靠。
(2)通过硅球和光子晶体实现两次亚波长聚焦，可得到半宽小于0.3λ的亚波长成像。
(3)可以调节入射光的角度，适合特定的亚波长成像系统中。
(4)还可以通过调整硅球与光子晶体之间的相对位置实现不同位置的亚波长成像，应用广泛，适用性强。
附图说明
图1为本发明一实施例的基于硅球及光子晶体负折射效应的亚波长成像器件的结构示意图；
图2为图1中光子晶体的结构示意图；
图3为图1中光子晶体六边形晶格周期性排列示意图；
图4为图1中为单个硅球的亚波长成像图；
图5为图1中单个硅球得到亚波长聚焦光斑处的探测器输出值图；
图6为图1的经过硅球和光子晶体后的亚波长成像效果图；
图7为图6中经过硅球和光子晶体后亚波长成像点处的探测器的输出值图；
图8为图1中硅球的中心与光子晶体尖角之间的水平距离对亚波长成像的影响图；
图9为平行光与硅球之间的入射角对亚波长成像的影响图。
其中，1-平行光线，2-硅球，3-亚波长聚焦光斑，4-光子晶体，5-负折射出射光束，6-反射光束。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的基于硅球及光子晶体负折射效应的亚波长成像器件进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
如图1和图2所示，一种基于硅球2及光子晶体4负折射效应的亚波长成像器件，包括纵向布置的硅球2和光子晶体4；硅球2放置在光子晶体4的底边的下方；硅球2的下方放置光源；光源输出的平行光线1入射到硅球2下表面，经过硅球2的一次亚波长成像后，在硅球2的上表面形成亚波长聚焦光斑3，亚波长聚焦光斑3向外扩散，依次从光子晶体4的底边和斜边经过负折射后，负折射光束5汇聚到光子晶体4斜边外的一点，形成亚波长成像点。反射光束6沿斜边方向传输。
在本实施例中，光子晶体4相对硅球2的底边经过边缘切除处理；光子晶体4的斜边上设置多个等周期的光栅；斜边和底边的交点处构成光子晶体4的尖角；为了增加成像点的能量透过率，要在光子晶体4的斜边上添加等周期的光栅。为了增大数值孔径，对光子晶体4的底边进行切割处理，实验证明最佳的比例是切除边缘空气孔半径的20％。其中，光子晶体4的参数设置如下：光子晶体4基底介质为硅介质，折射率为3.4，切除底边边缘空气孔半径的20％，光子晶体4晶格常数a＝0.482μm；空气孔半径r＝0.17593μm；入射波长λ＝1.55μm；如图3所示，空气孔形成空气柱；空气柱按照六边形晶格周期性排列。切除时，底边边缘的空气孔圆心到底边距离d＝0.8r。
在本实施例中，光栅的位置及规格参数如下：靠近尖角的光栅设置在距离尖角0.07μm～0.29μ处；光栅的内端口的宽度w1＝0.342μm；内端口即光栅位于光子晶体4内的开口；光栅的外端口的宽度w2＝0.376μm；外端口即光栅位于光子晶体4斜边上的开口；内端口与斜边边缘处的空气孔的圆心距离为h1＝0.246μm；外端口与斜边边缘处的空气孔的圆心距离为h2＝0.464μm。在本实施例中，光栅的周期为T＝0.482μm。
在本实施例中，硅球2的折射率为3.4，硅球2相对的两个曲面的曲率半径为0.468和-0.468；硅球2的上表面与底边的最小垂直距离为0.2μm，硅球2中心与尖角的水平距离为1.5μm；在本实施例以外的其他实施例中，水平距离可以为2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、4μm。
在本实施例中，进一步包括透镜；透镜设置在光源和硅球2之间；光源输出的光线经过透镜，垂直聚焦在硅球2的下表面。光源发出的平行光，经过透镜汇聚，通过高斯光束束腰处放置的硅球2聚焦在上表面，发生一次亚波长聚焦，在硅球2的曲率半径为0.468和-0.468时，得到最小聚焦光斑半宽为0.128λ，具体如图4和图5所示，其中，point source入射点光源和image亚波长成像点，即亚波长聚焦光斑3。在本实施例以外的其他实施例中，硅球2的一个曲面的曲率可以为0.469、0.47、0.48、0.49、0.5、0.51、0.52、0.53、0.54。在本实施例中，透镜的曲率半径为3500或-3500；透镜距离硅球2下表面的最小垂直距离1537μm。
如图6和图7所示，将上述硅球2放置在楔形光子晶体44的下侧0.2μm处，经过硅球2的亚波长聚焦后汇聚的光线继续入射到光子晶体4，经历一次负折射后，从光子晶体4斜边出射形成二次亚波长聚焦，透过光子晶体4后的半宽最小约为0.245λ。其中，image亚波长成像点。
如图8通过改变硅球2中心线与光子晶体4的尖角之间的水平距离，来改变硅球2与光子晶体4的相对位置和光线可在不同位置得到不同的亚波长成像，水平距离距离从1.5μm变化到4μm时，半宽基本低于0.45λ。在本实施例中，光子晶体4的斜边和底边的交点处为光子晶体4的尖角。
图9所示，通过改变硅球2与平行光线形成的入射角度的变化，实现不同位置处的亚波长成像。在本实施例中，入射角度为0°，即平行光垂直于硅球2时，得到最小的半宽0.245λ。
本发明在工作时，选定的激光器输出波长为1.55μm，输出光斑直径为1mm。经过透镜汇聚，通过高斯光束束腰处放置的硅球2聚焦在球的上表面，发生一次亚波长聚焦，在曲率半径为0.468和-0.468时，得到最小聚焦光斑半宽为0.128λ，如图5。
将上述硅球2放置在楔形光子晶体44的下侧0.2μm处，经过硅球2的亚波长聚焦后汇聚的光线继续入射到光子晶体4，经历一次负折射后，从光子晶体4斜边出射形成二次亚波长聚焦，如图7所示。
综上，本发明基于硅球2与光子晶体4负折射效应的亚波长成像组合器件主要是光子晶体4和硅球2的参数设置，可得到半宽小于0.3λ的亚波长成像。整个器件体积小巧，无需花费时间去调整复杂的光路，固定该器件之后，整个成像过程中也不需要人为调整任何参数设置，操作简单且性能稳定可靠。此外，本发明可以调节入射光的角度，适合特定的亚波长成像系统中。本发明还可以通过调整硅球2与光子晶体4之间的水平位置实现不同位置的亚波长成像，应用广泛，适用性强。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于硅球及光子晶体负折射效应的亚波长成像器件，其特征在于，包括纵向布置的硅球和光子晶体；所述硅球放置在所述光子晶体底边的一侧；
其中，所述光子晶体的底边经过边缘切除处理；所述光子晶体的斜边上设置多个等周期的光栅；
所述光子晶体基底介质为硅介质，折射率为3.4，切除底边边缘空气孔半径的5％～35％，光子晶体晶格常数0.482μm；空气孔半径0.17593μm；入射波长1.54μm≤λ≤1.62μm；
所述硅球远离光子晶体的一侧放置光源；所述光源输出的平行光线入射至所述硅球的下表面，经过所述硅球的一次亚波长成像后，在所述硅球的上表面形成亚波长聚焦光斑，所述亚波长聚焦光斑向外扩散，并依次从所述光子晶体的底边和斜边经过负折射后汇聚到光子晶体斜边外的一点，形成亚波长成像点。
2.根据权利要求1所述的基于硅球及光子晶体负折射效应的亚波长成像器件，其特征在于，靠近底边的光栅与所述底边和斜边交点处的距离范围为0.07μm～0.29μm；
所述光栅的内端口的宽度0.342μm；
所述光栅的外端口的宽度0.376μm；
所述内端口与斜边边缘处的空气孔的圆心距离为0.246μm；
所述外端口与斜边边缘处的空气孔的圆心距离为0.464μm。
3.根据权利要求2所述的基于硅球及光子晶体负折射效应的亚波长成像器件，其特征在于，所述空气孔形成空气柱；所述空气柱按照六边形晶格周期性排列。
4.根据权利要求1所述的基于硅球及光子晶体负折射效应的亚波长成像器件，其特征在于，所述周期为0.482μm。
5.根据权利要求1所述的基于硅球及光子晶体负折射效应的亚波长成像器件，其特征在于，所述硅球的折射率为3.4，曲率半径范围0.468～0.54或-0.468～-0.54；所述硅球上表面与所述底边的最小距离为0.2μm～1μm；光子晶体的斜边和底边的交点处构成光子晶体的尖角，所述硅球的中心与所述尖角的水平距离1.5μm～4μm。
6.根据权利要求1所述的基于硅球及光子晶体负折射效应的亚波长成像器件，其特征在于，进一步包括透镜；所述透镜设置在所述光源和硅球之间；所述光源输出的平行光线经过所述透镜，垂直聚焦在所述硅球的下表面。
7.根据权利要求6所述的基于硅球及光子晶体负折射效应的亚波长成像器件，其特征在于，所述透镜的曲率半径为3500或-3500；所述透镜的焦距为2295μm；所述透镜与所述硅球下表面的最小垂直距离1537μm～1547μm。
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