基于二维光子晶体负折射效应的亚波长成像器件制造技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术的技术方案为：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。本专利技术的有益效果在于：本专利技术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为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术对光子晶体边缘切除处理的示意图；图5为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术两块光子晶体组合在一起后的亚波长成像效果图；图8为本专利技术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。本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁斌明，马宏亮，庄松林，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海;31