CN109839749B

CN109839749B - 变周期光栅光子晶体超分辨成像器件

Info

Publication number: CN109839749B
Application number: CN201910260578.3A
Authority: CN
Inventors: 王国旭; 梁斌明
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2019-04-02
Filing date: 2019-04-02
Publication date: 2021-04-20
Anticipated expiration: 2039-04-02
Also published as: CN109839749A

Abstract

本发明涉及一种变周期光栅光子晶体超分辨成像器，包括光子晶体，在光子晶体入射面与光子晶体出射面分别有光栅形状相同的一维亚波长光栅结构，所述亚波长光栅结构与光子晶体入射面、光子晶体出射面之间有相同宽度间隙，所述光子晶体其等效折射率为‑1，亚波长光栅结构中光栅个数应正比于光子晶体入射面或出射面第一排空气柱的个数，点光源经亚波长光栅后再进入光子晶体，实现突破衍射极限的超分辨成像。通过在光子晶体表面添加亚波长光栅的方法，增强了光场耦合作用，压缩了像点半宽，提高了成像分辨率且突破了衍射极限。

Description

变周期光栅光子晶体超分辨成像器件

技术领域

本发明涉及一种成像技术，特别涉及一种变周期光栅光子晶体超分辨成像器。

背景技术

前苏联科学家Veselego于1968年首次提出“负折射”的概念，并理论预测在这种负折射材料中，电场、磁场、波矢方向不再符合传统材料的右手法则，而是遵守左手法则，因而这种材料又被称为“左手材料”。并预测在介电常数ε和磁导率μ同时为负的材料中，将产生负折射现象，即入射波和出射波位于法线的同一侧。但直到本世纪初D.R.Smith等人才实验制备出能发生负折射的人工材料，这种材料由金属线和非闭合金属环周期排列构成，光波在其中传播时，波矢方向和能流方向相反。英国科学家Pendry于2000年提出利用负折射“完美透镜”可以对倏逝场进行放大，从而实现超越衍射极限的近场成像。基于这种猜想，人们利用银薄膜实现了60nm(λ/6)的超分辨成像，记录下了著名的“NANO”字眼。A.Sukhovich等人则为光子晶体实现超分辨率成像提供了实验和理论依据。

然而，光子晶体因不存在同时为负的介电常数和磁导率，其实现超分辨成像的机理尚存在争议。此外光子晶体成像的分辨率仅略小于衍射极限，继续提高光子晶体的成像分辨率仍需进一步的工作。

发明内容

本发明是针对提高光子晶体的成像分辨率的问题，提出了一种变周期光栅光子晶体超分辨成像器，通过在光子晶体表面添加亚波长光栅的方法，增强了光场耦合作用，压缩了像点半宽，提高了成像分辨率。

本发明的技术方案为：一种变周期光栅光子晶体超分辨成像器，包括光子晶体，在光子晶体入射面与光子晶体出射面分别有光栅形状相同的一维亚波长光栅结构，所述亚波长光栅结构与光子晶体入射面、光子晶体出射面之间有相同宽度间隙，所述光子晶体其等效折射率为-1，亚波长光栅结构中光栅个数应正比于光子晶体入射面或出射面第一排空气柱的个数，点光源经亚波长光栅后再进入光子晶体，实现突破衍射极限的超分辨成像。

所述一维亚波长光栅的光栅槽面型为梯形，光子晶体入射面与所述梯形光栅宽面邻近，光子晶体出射面与所述梯形光栅窄面邻近。

所述入射面的亚波长光栅与出射面的亚波长光栅周期为T₁和T₂，入射面亚波长光栅周期为T₂对应的第一个光栅中心点与入射面第一排对应的空气柱圆心连线垂直于入射面，其余光栅沿着两边以周期T₁和T₂分别排列；出射面亚波长光栅周期为T₂对应的第一个光栅中心点与出射面第一排对应的空气柱圆心连线垂直于出射面，其余光栅沿着两边以周期T₁和T₂分别排列。

所述亚波长梯形光栅宽面w₁＝376nm,梯形光栅窄面w₂＝342nm,梯形光栅与光子晶体入射面距离h₁＝56nm,梯形光栅槽深h₂＝215nm，入射面前4个光栅周期为T₁,后所有光栅周期为T₂，出射面第一个光栅周期为T₁,其余光栅周期为T₂，入射光源波长为1545nm～1555nm，光源位于入射面亚波长光栅下方295nm～315nm处，光子晶体入射面第一排第一个空气柱圆心为原点，光源横向坐标为1.99μm～2.01μm。

本发明的有益效果在于：本发明变周期光栅光子晶体超分辨成像器，在对光子晶体不进行任何处理时，像点半宽为0.54λ，能量透过率为9％，在光子晶体入射、出射面添加亚波长光栅后，像点半宽减小到0.38λ，且能量透过率调高到24％，大大提高了成像分辨率且突破了衍射极限。

附图说明

图1为光子晶体成像过程示意图；

图2为本发明变周期光栅光子晶体超分辨成像器结构示意图；

图3为不添加光栅的光子晶体成像光路图；

图4为本发明不改变光栅周期光子晶体成像光路图；

图5为本发明添加光栅和不添加光栅像点能量分布对比图；

图6为本发明改变光栅周期光子晶体成像光路图；

图7为本发明改变光栅周期和不改变光栅周期像点能量分布对比图。

具体实施方式

首先设计光子晶体参数，使其等效折射率为-1。背景材料选为硅介质，其折射率n＝3.45,空气柱以六角晶格周期排列在硅介质中。空气柱半径r＝193.5nm,晶格常数a＝482nm。

如图1所示光子晶体成像过程示意图，将点光源(Point Source)置于光子晶体下方近场范围内，经过负折射作用，在光子晶体内部形成一个虚拟像点(Image)，内部像点再经负折射作用在光子晶体外像空间成像。因光子晶体等效折射率为-1，可以放大光源倏逝波，实现突破衍射极限成像。但光子晶体表面结构限制了光波的耦合效率，影响像点分辨率所以在光子晶体表面添加光栅以增加耦合效率，光栅结构如图2所示变周期光栅光子晶体超分辨成像器结构示意图，为增强光场耦合效率，本发明在光子晶体入射面与光子晶体出射面添加光栅形状相同的一维亚波长光栅结构，所述亚波长光栅结构与光子晶体入射面、光子晶体出射面之间有相同宽度间隙。受限于图像大小，图2仅展示部分光栅结构，实际光栅个数应正比于光子晶体入射面或出射面空气柱的个数。

所述光栅槽面型为梯形，梯形光栅宽面宽度为w₁，梯形光栅窄面宽度为w₂。其中，光子晶体入射面与所述梯形光栅宽面邻近，光子晶体出射面与所述梯形光栅窄面邻近。

所述梯形光栅距离光子晶体表面高度为h₁,光栅槽深为h₂。

不改变光栅周期时，所述入射面光栅与出射面光栅周期均为T，即T₁＝T₂＝T。以最左侧空气柱圆心为基准，入射面对应第一个光栅中心点与入射面第一排第一个空气柱圆心连线垂直于入射面，其余光栅周期排列，与入射面第一排空气柱对应排列，最右侧光栅与光子晶体没有对齐要求。出射面对应第一个光栅中心点与出射面第一排第一个空气柱圆心连线垂直于出射面，其余光栅周期排列，与出射面第一排空气柱对应排列，最上侧光栅与光子晶体没有对齐要求。

如图3所示为不添加光栅的光子晶体成像光路图，像点半宽为0.54λ。光源波长和位置对结果影响很大，采取波长1550nm的点光源,添加光栅后，点光源位于亚波长光栅下方0.3μm，以光子晶体最左侧空气柱圆心为原点，所述点光源横向坐标为2μm，添加不变周期光栅，当光栅周期T₁＝T₂＝482nm时，光子晶体成像光路图如图4所示，像点半宽为0.46λ。有明显提升。点光源经添加亚波长光栅的光子晶体器件，实现突破衍射极限的超分辨成像，且像点半宽比不添加亚波长光栅时更小。

图5为本发明添加光栅和不添加光栅像点能量分布对比图，其中曲线1为添加光栅的点能量曲线图，曲线2为不添加光栅的点能量曲线图，x'为像点与探测器中心的相对距离。例如，图5中探测器中心坐标为(0，5μm),探测器长度为12μm，探测器水平放置。图5中曲线2峰值对应x'＝-1.4μm，即像点距离探测器中心距离为1.4μm，x'为负说明像点在探测器中心的左侧。由此可得像点位置坐标为(-1.4μm，5μm)。

为了增强光源倏逝场耦合效率，本发明改变部分光栅周期。作为优选方案，本发明改变入射面最左侧4个光栅周期为T₁,右侧光栅周期不变，即T₂＝T，也就是光栅周期为T₂对应的第一个光栅(图中第5个光栅)中心点与入射面第一排对应的空气柱圆心连线垂直于入射面，其余光栅沿着两边以周期T₁和T₂分别排列。改变出射面最下侧1个光栅周期为T₁，其余光栅周期不变，即T₂＝T，也就是光栅周期为T₂对应的第一个光栅(图中第2个光栅)中心点与出射面第一排对应的空气柱圆心连线垂直于出射面，其余光栅沿着两边以周期T₁和T₂分别排列。其中，改变光栅周期过程中，保持入射面左侧第5个光栅坐标位置不变，其余光栅位置相应改变。出射面光栅保持下侧第2个光栅坐标位置不变，其余光栅位置相应改变。

为进一步提高耦合效率，优化光栅参数。改变光子晶体下表面左侧四个光栅周期T₁＝462nm，改变光子晶体斜面下侧1个光栅周期T₁＝462nm，其余光栅周期不变，即T₂＝482nm。改变光栅后的成像光路图如图6所示，其像点半宽为0.38λ，较不改变光栅时有明显改善。图7为本发明改变光栅周期和不改变光栅周期像点能量分布对比图，其中曲线1为改变光栅周期像点能量曲线图，曲线2为不改变光栅周期像点能量曲线图。

光子晶体结构设计以等效折射率n＝-1为基础。理论指出等效折射率为-1的材料成像性能最佳，本发明实施例所列光子晶体结构为实现等效折射率n＝-1的一种结构方案。

光源波长选定以光子晶体结构为基础。在本发明实施例中给出的光子晶体结构参数基础上，光源波长以λ＝1550nm为最优方案。但波长漂移范围在1545nm～1555nm内时，此结构光子晶体也呈现出良好的成像性能。

光源位置以光倏逝场传播特性为基础。由于光源倏逝场只能传输一个波长范围，所以限定光源位于亚波长光栅下方295nm～315nm(即位于光子晶体入射面下方(h₁+h₂+295nm～315nm),以光子晶体最左侧空气柱圆心为原点，所述点光源横向坐标为1.99μm～2.01μm。

光栅结构以光子晶体结构、光源波长和光源位置共同为基础。以实施例给出的光子晶体结构参数和光源波长λ＝1550nm以及限定光源位于亚波长光栅下方300nm，以光子晶体最左侧空气柱圆心为原点，所述点光源横向坐标为2.0μm共同为基础，设计一维亚波长光栅结构。作为优选方案，所述一维亚波长梯形光栅宽面w₁＝376nm,梯形光栅窄面w₂＝342nm,梯形光栅与光子晶体入射面距离h₁＝56nm,梯形光栅槽深h₂＝215nm，梯形光栅周期T₁＝462nm，T₂＝482nm，效果对应见图5和图7中曲线1。

本发明变周期光栅光子晶体超分辨成像器中，变周期光栅结构基于本发明中等效折射率为-1的光子晶体结构而设计。其他等效折射率为-1的光子晶体结构不一定适用于本发明的变周期光栅结构。但本行业的科研人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明要求保护的范围内。如基于等效折射率为-1的其他光子晶体结构而设计的变周期光栅光子晶体超分辨成像器也应落入本发明保护范围内。

Claims

1.一种变周期光栅光子晶体超分辨成像器，其特征在于，包括光子晶体，在光子晶体入射面与光子晶体出射面分别有光栅形状相同的一维亚波长光栅结构，所述亚波长光栅结构与光子晶体入射面、光子晶体出射面之间有相同宽度间隙，所述光子晶体其等效折射率为-1，亚波长光栅结构中光栅个数应正比于光子晶体入射面或出射面第一排空气柱的个数，点光源经亚波长光栅后再进入光子晶体，实现突破衍射极限的超分辨成像；

所述一维亚波长光栅的光栅单元槽面型为梯形，光子晶体入射面与所述梯形光栅单元宽面邻近，光子晶体出射面与所述梯形光栅单元窄面邻近；

所述入射面的亚波长光栅与出射面的亚波长光栅周期为T₁和T₂，入射面亚波长光栅周期为T₂对应的第一个梯形光栅单元中心点与入射面第一排对应的空气柱圆心连线垂直于入射面，其余梯形光栅单元沿着两边以周期T₁和T₂分别排列；出射面亚波长光栅周期为T₂对应的第一个梯形光栅单元中心点与出射面第一排对应的空气柱圆心连线垂直于出射面，其余梯形光栅单元沿着两边以周期T₁和T₂分别排列。

2.根据权利要求1所述变周期光栅光子晶体超分辨成像器，其特征在于，所述亚波长光栅的梯形光栅单元宽面w₁＝376nm,梯形光栅单元窄面w₂＝342nm,梯形光栅单元与光子晶体入射面距离h₁＝56nm,梯形光栅单元槽深h₂＝215nm，入射面前4个梯形光栅单元周期为T₁,后所有梯形光栅单元周期为T₂，出射面第一个梯形光栅单元周期为T₁,其余梯形光栅单元周期为T₂，入射光源波长为1545nm～1555nm，光源位于入射面亚波长光栅下方295nm～315nm处，光子晶体入射面第一排第一个空气柱圆心为原点，光源横向坐标为1.99μm～2.01μm。