一种柱矢量光束亚波长多焦点聚焦的一维光子晶体平凹镜制造技术

本发明专利技术公开了一种柱矢量光束亚波长多焦点聚焦的一维光子晶体平凹镜，所述多焦点聚焦的一维光子晶体平凹镜是由两种材料A和B交替排列的具有等效负折射率的一维光子晶体构成，并且出射面为柱对称凹面，所述一维光子晶体平凹镜具有一个以上的焦点。本发明专利技术一种柱矢量光束亚波长多焦点聚焦的一维光子晶体平凹镜设计方法简单，基于等频曲线来计算特定结构的一维光子晶体负折射率值和费马原理推导出的关于满足相位关系的公式，求解计算得出特定结构的多焦点聚焦平凹镜的设计方法为柱矢量光束的亚波长调控方式提供了新的切入角度，拓展了负折射率材料一维光子晶体在柱矢量光束调控领域的应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于人工微结构材料领域，尤其涉及一种用于柱矢量光束亚波长多焦点聚焦的一维光子晶体平凹镜。
技术介绍
矢量光束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，科研工作者们已经提出了许多不同的实现和调控方法，然而现有的各种方法都存在一定的局限性。传统的透镜难以实现更加紧致的聚焦且调控焦场的灵活性较低，因此研究热点转向了微结构领域。柱对称的等离激元透镜可以聚焦柱矢量光束的径向分量，并且具有器件集成度高的优势，但具有偏振态的局限性。为了拓宽柱矢量光束聚焦的应用领域，需要实现突破聚焦光束偏振态的限制的紧聚焦，并对焦场进一步灵活调控。
技术实现思路
本专利技术为了拓宽柱矢量光束聚焦的应用领域，提供一种柱对称的一维光子晶体平凹透镜，对正交偏振态同时有效的负折射效应。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种柱矢量光束亚波长多焦点聚焦的一维光子晶体平凹镜，所述多焦点聚焦的一维光子晶体平凹镜是由两种材料A和B交替排列的具有等效负折射率的一维光子晶体构成，并且出射面为柱对称凹面，所述一维光子晶体平凹镜具有一个以上的焦点。所述多焦点聚焦的一维光子晶体的周期d＝a+b，其中a为材料A的厚度，b为材料B的厚度，通过调整结构参数a、b以及材料A和B的折射率na和nb，使得一维光子晶体的能带结构在所需的光波段具有等效负折射率neff，并对正交偏振态具有同时有效的负折射效应。所述等效负折射率neff采用基于等频曲线的等效折射率分析方法求出。所述凹面不是连续凹面，是以光子晶体厚度d为一个周期单元、厚度固定而内径从下至上逐层等量递增的圆环层叠构成，圆环内侧为竖直壁，其顶角连线形成凹面，不同圆环层区域对应不同的焦距。所述一维光子晶体平凹镜结构和焦点数量满足根据费马原理推导出的相位关系公式：n02r2+(n02-neff2)z2-2n0f(1-neff)z＝0，其中n0为光子晶体在空气中的折射率，neff为光子晶体的等效负折射率，f为焦距，(r,z)为出射面顶点坐标值。所述材料A为MgF2，材料B为GaN，a＝10nm，b＝140nm。为了实现多焦点聚焦的目的，本专利技术采用的一维光子晶体平凹镜是由两种材料A和B交替排列的具有等效负折射率的一维光子晶体构成，并且出射面为凹面。平凹镜使用等频曲线来计算特定结构的一维光子晶体负折射率值的方法，光子晶体的等频曲线类似于双曲线，在TE偏振时用于分析出射角度的等频曲线，由于出射光线与法线的夹角可以等效到三角形内，这个三角形中就包含了入射角度、出射角度。Snell定律计算折射率使用的就是入射角度和出射角度之间的关系，角度之间的关系可以通过正弦定律转化到边线之间的关系。只要等频曲线的位置不变，折射率就是一个定值。这样根据上面推导，就能计算得出TE偏振时的负折射率；同理，TM偏振时候的负折射率也可以算出。本专利技术对由介质MgF2和GaN组成的一维光子晶体进行了研究，发现了这种光子晶体在某个特定频率下对正交偏振态具有相同的负折射率。所用的介质MgF2和GaN的厚度分别为a＝10nm和b＝140nm，周期d＝a+b＝150nm，所使用的波长λ＝532nm，计算得到负折射率值为n＝-0.94。平凹面不是连续凹面，是以光子晶体厚度d为周期单元、厚度固定而内径从下至上递增的圆环层叠构成，圆环内侧为竖直壁，选择的特定焦距对应唯一的结构。据所论述的平凹镜形貌数据的迭代计算方法，对于不同的焦距f，可以根据方程计算出出射面的每一个顶点的坐标，通过对出射面周期单元的合理设计，可以预测出射焦场的位置，以此类推，拓展至多个焦点的情况来实现多焦点聚焦。平凹镜的柱对称结构是由费马原理推导的满足相位关系的公式得出，公式如下：n02r2+(n02-neff2)z2-2n0f(1-neff)z＝0 (1)其中n0为光子晶体在空气中的折射率，neff为光子晶体的等效负折射率。如果需要得到焦距分别为f1＝4.5μm和f2＝7.0μm的双焦点，可以将由30周期的一维光子晶体平凹镜的出射面划分为两个区域，其中靠近底部的11个周期将出射光线聚焦到第一个焦点，剩余部分将光线聚集到第二个焦点。将f1＝4.5μm和f2＝7.0μm代入(1)可以求解得出对应的坐标(r,z)，将两个结构的各自的一部分拼接起来就形成了最终的结果，然后我们就可以设计出特定结构的平凹镜。如果要得到f1＝4.5μm、f2＝7.0μm和f3＝9.5μm的三焦点聚焦，则需要使用更多的周期，这里使用50周期的一维光子晶体平凹镜。同样的方法，能够设计出特定结构的平凹镜。本专利技术的有益效果是：本专利技术一种柱矢量光束亚波长多焦点聚焦的一维光子晶体平凹镜设计方法简单，基于等频曲线来计算特定结构的一维光子晶体负折射率值和费马原理推导出的关于满足相位关系的公式，求解计算得出特定结构的多焦点聚焦平凹镜的设计方法为柱矢量光束的亚波长调控方式提供了新的切入角度，拓展了负折射率材料一维光子晶体在柱矢量光束调控领域的应用。附图说明图1是实施例柱矢量光束的横截面电场振动方向，分别对于一般偏振(a)，径向偏振(b)和旋向偏振(c)。图2是实施例柱对称平凹镜的结构图。图3是GaN和MgF2组成的一维光子晶体结构：(a)结构示意图和能带结构图；(b)等频曲线分析负折射率；(c)和(d)分别表示TE和TM偏振时的负折射现象，波长为532nm。图4是实施例一维光子晶体平凹镜在径向偏振光照射下双焦点聚焦全局电场强度分布图。图5是实施例一维光子晶体平凹镜相对于双焦点聚焦情况下，沿着z轴的电场强度归一化分布图。图6是实施例一维光子晶体平凹镜在径向偏振光照射下三焦点聚焦全局电场强度分布图。图7是实施例一维光子晶体平凹镜相对于三焦点聚焦情况下，沿着z轴的电场强度归一化分布图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做详细说明，本实施例在以本专利技术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，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。图1是实施例能够有效聚焦的柱矢量光束的横截面电场振动方向，分别对于一般偏振(a)，径向偏振(b)和旋向偏振(c)。如图2所示，本实施例为由材料A和材料B交替排列组成的一维光子晶体平凹镜，对由介质MgF2和GaN组成的一维光子晶体进行了研究，发现了这种光子晶体在某个特定频率下对正交偏振态具有相同的负折射率，图3给出了一维光子晶体的示意图和能带结构，MgF2和GaN的厚度分别为a＝10nm和b＝140nm，周期d＝a+b＝150nm，可以看到第二能带仍然处于可见光波段，在能带结构中标出了所使用的波长λ＝532nm。从图3中的图(b)可以看到，光子晶体的等频曲线类似于双曲线，圆为空气中的等频曲线，反斜向的长虚线表示出射界面。光线的传播方向沿着EFS的梯度方向，因此均从一维光子晶体的等频曲线指向波矢空间的原点。而出射光线则须沿空气中等频曲线的梯度方向，因而必须垂直于圆形曲线。因此结合切向连续性条件即可得出光线的出射方向。经过这种作图的方法得出的TE和TM的折射角度均为38.08°。TE偏振和TM偏振的负折射率是一样的，这里用TM偏振的时候，可以表示为 n T M = 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种柱矢量光束亚波长多焦点聚焦的一维光子晶体平凹镜，其特征在于：所述多焦点聚焦的一维光子晶体平凹镜是由两种材料A和B交替排列的具有等效负折射率的一维光子晶体构成，并且出射面为柱对称凹面，所述一维光子晶体平凹镜具有一个以上的焦点。

【技术特征摘要】
1.一种柱矢量光束亚波长多焦点聚焦的一维光子晶体平凹镜，其特征在于：所述多焦点聚焦的一维光子晶体平凹镜是由两种材料A和B交替排列的具有等效负折射率的一维光子晶体构成，并且出射面为柱对称凹面，所述一维光子晶体平凹镜具有一个以上的焦点。2.根据权利要求1所述的多焦点聚焦的一维光子晶体平凹镜，其特征在于：所述多焦点聚焦的一维光子晶体的周期d＝a+b，其中a为材料A的厚度，b为材料B的厚度，通过调整结构参数a、b以及材料A和B的折射率na和nb，使得一维光子晶体的能带结构在所需的光波段具有等效负折射率neff，并对正交偏振态具有同时有效的负折射效应。3.根据权利要求2所述的多焦点聚焦的一维光子晶体平凹镜，其特征在于：所述等效负折射率neff采用基于等频曲线的等效折射率分析方法求出。4.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：许吉，时楠楠，王胜明，陈奕霖，陆云清，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32