一种高度变化的共焦、匀光的微光学器件制造技术

一种高度变化的共焦、匀光的微光学器件。该光学器件由变高的轴对称线性周期微直三棱柱结构构成，将中心微直三棱柱的工作距离定为器件工作距离，经过对线性周期微直三棱柱结构的工作距离和其高度关系的求解，建立高度变化通式后，通过改变线性周期微三棱柱结构的高度，当入射光垂直于器件底面入射并通过该器件之后，可达到共焦效果，且能量明显集中，最大强度随结构的扩增而成倍提高。本发明专利技术在聚焦微纳光学器件设计、光束整形和高深宽比微槽测量技术领域具有重要的应用价值和应用前景。并且其产生的X波在光学信息处理和传输以及触摸屏的检测领域具有很好的应用前景。检测领域具有很好的应用前景。检测领域具有很好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种高度变化的共焦、匀光的微光学器件


[0001]本专利技术属于微光学器件设计领域，涉及局域场增强、贝塞尔光束整形和X
‑
光束应用，特别涉及一种能有效增强局域场，聚焦能力强的高度变化的共焦、匀光的微光学器件。

技术介绍

[0002]局域场增强的产生能够增强介质的线性或非线性响应，在光子学、纳米传感、近场光学显微技术以及生物检测和纳米医疗等很多领域都有广泛应用，具有重要的实际意义。但目前大多基于金属纳米结构，在实现局域场增强效果的同时，材料的复杂程度也相应提高，十分不利于应用。
[0003]贝塞尔光束整形领域中，聚焦会影响贝塞尔函数分布的焦平面周围的光强，会随光学器件的数值孔径值减小而变低，利用轴锥整形贝塞尔光束可以改善以上问题。此前的等高的微直三棱柱组成的微光学器件，当光线垂直器件地面入射并通过期间后，因两侧对称的三棱柱高度相同，即折射面的倾斜程度也相同，随着结构的线性扩增，器件工作距离越大，两侧k值相同的对称微直三棱柱结构的折射光线汇聚，从而在工作距离内会产生连续性的焦斑，达到匀光效果，但对光强无明显有益效果。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为能够有效提高聚焦能力的同时提高场能量，突破局域场增强和贝塞尔光束整形等领域的技术限制，而提供的一种高度变化的共焦、匀光的微光学器件。
[0005]本专利技术高度变化的共焦、匀光的微光学器件能够在提高聚焦能力的同时提高场强，结果中有X
‑
光束产生，不但在局域场增强和贝塞尔光束整形方面提供了新途径，在高深宽比结构微槽的测量、光学信息处理和传输以及触摸屏的检测等领域具备应用潜力。
[0006]所述的高度变化的共焦、匀光的微光学器件，其特征在于，所述的器件最大工作距离Z
max
固定为中心微直三棱柱的工作距离，由下式确定：
[0007]Z
max
＝Λ
·
tan β1[0008]其中，n sin α
1＝n
′
sin γ1，n为微直三棱柱折射率，n
’
为空气折射率。
[0009]所述的高度变化的共焦、匀光的微光学器件，其特征在于，所述的微直三棱柱材料为光学玻璃。
[0010]所述的高度变化的共焦、匀光的微光学器件，其特征在于，所述器件中，中心微直三棱柱的高度h1由斯涅尔定律和衍射元件设计原理公式：来固定。
[0011]所述的高度变化的共焦、匀光的微光学器件，其特征在于，所述微光学器件等高，即h
k
＝h1均相等时，工作距离内出现连续焦斑，且随着器件中微直三棱柱个数增加，焦斑连
续性增强。
[0012]所述的高度变化的共焦、匀光的微光学器件，其特征在于，所述微光学器件高度不等时，等高时工作距离内出现的连续焦斑汇聚，可达到共焦效果，且能量明显集中。
[0013]所述的高度变化的共焦、匀光的微光学器件，其特征在于，所述微光学器件中线性周期微直三棱柱结构的高度变化通式如下：
[0014][0015]所述的高度变化的共焦、匀光的微光学器件，其特征在于，此设计方法通过建立微光学元件的设计通式，改变器件中结构高度后，变高器件将此前等高结构产生的线性离散的焦点汇聚，各结构工作距离全部截止于中心微直三棱柱的工作距离内，可控制光线汇聚和器件整体工作距离。
[0016]与现有技术相比，本专利技术的有益效果包括：
[0017](1)本专利技术建立了全新的微光学器件设计理论通式，有完备的理论体系。
[0018](2)本专利技术通过建立微光学元件的设计通式，改变器件中结构高度后，变高器件将此前等高结构产生的线性离散的焦点汇聚，各结构工作距离全部截止于中心微直三棱柱的工作距离内，可控制光线汇聚和器件整体工作距离。
[0019](3)本专利技术器件外观规则，外形简单，便于加工，会降低加工成本和加工难度，其创新性和新颖性有望应用并革新微纳光学结构和超表面器件领域。
[0020](4)本专利技术提供的一种高度变化的共焦、匀光的微光学器件可以实现聚焦和大大增强场的能量，且结构尺寸在微米级别，随着阵列k值增加，聚焦和增加场强的能力成倍增加，在局域场增强和贝塞尔光束整形等领域具备重要的应用前景。并且产生的X
‑
光束，在光学信息处理和传输以及触摸屏检测方面有应用背景，等高器件在高深宽比结构微槽测量领域有应用潜力。
附图说明
[0021]图1是本专利技术实施例所述的k＝1高度为1微米微直三棱柱结构三视图。其中：(a)是k＝1高度为1微米微直三棱柱的主剖视图；(b)是k＝1高度为1微米微直三棱柱的左剖视图；(c)是k＝1高度为1微米微直三棱柱的俯视图。
[0022]图2是本专利技术提供的k＝2时等高匀光微光学器件结构示意图。其中：(a)是k＝2等高器件的主剖视图；(b)是k＝2等高器件的左剖视图；(c)是k＝2等高器件的俯视图。
[0023]图3是本专利技术提供的k＝4时等高匀光微光学器件结构示意图。其中：(a)是k＝4等高器件的主剖视图；(b)是k＝4等高器件的左剖视图；(c)是k＝4等高器件的俯视图。
[0024]图4是本专利技术实施例所述的利用有限时域差分法计算出的等高的微光学器件结构能量图。其中：(a)是k＝1高度为1微米微直三棱柱的能量图；(b)是k＝2等高器件的能量图；(c)是k＝4等高器件的能量图。
[0025]图5是本专利技术依据的公式建立方法展示。
[0026]图6是本专利技术提供的k＝2时高度变化的共焦微光学器件结构示意图。其中：(a)是k＝2高度变化的共焦微光学器件的主剖视图；(b)是k＝2高度变化的共焦微光学器件的左剖视图；(c)是k＝2高度变化的共焦微光学器件的俯视图。
[0027]图7是本专利技术提供的k＝3时高度变化的共焦微光学器件结构示意图。其中：(a)是k＝3高度变化的共焦微光学器件的主剖视图；(b)是k＝3高度变化的共焦微光学器件的左剖视图；(c)是k＝3高度变化的共焦微光学器件的俯视图。
[0028]图8是本专利技术实施例所述的利用有限时域差分法计算出的高度变化的共焦、匀光的微光学器件能量图。其中：(a)是k＝2高度变化的共焦微光学器件的能量图；(b)是k＝3高度变化的共焦微光学器件的能量图。
具体实施方式
[0029]为了更好的理解本专利技术，以下采用实施例对本专利技术技术方案作详细说明，但本专利技术要求保护的范围并不局限于下述的实施例。凡在本专利技术的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本专利技术的保护范围之内。下面结合附图对本专利技术实施方式进一步说明如下：
[0030]本专利技术中轴对称线性周期微直三棱柱结构的制作可采用光刻工艺和干法刻蚀技术来实施。其具体步骤如下：
[0031](1)利用激光直写或电子束直写方法在光敏介质上曝光并通过显影制作出微直三棱柱结构；
[0032](2)利用反应离子刻蚀或电感耦合等离子体刻蚀技术将微直三棱柱结构转移到光学玻璃上；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种通过改变轴对称线性周期微直三棱柱结构的高度，可达到共焦效果，且能量明显集中，最大强度随k值的增大而成倍增加的共焦、匀光的微光学器件，其特征在于该光学器件由变高的轴对称线性周期微直三棱柱结构构成，轴对称线性周期微直三棱柱结构用于将入射的垂直于各微直三棱柱底面的光在工作距离内聚焦，集中能量，提高最大强度；器件为变高的轴对称线性周期微直三棱柱结构，中心微直三棱柱为等腰结构，周期为2Λ，两侧微直三棱柱镜面对称放置，周期均为Λ，高度为h
k
(k＝1，2，3，...；中心微直三棱柱的k记为1)，Λ和h
k
大小均在微米量级；结构中高度h
k
所对最小锐角为α
k
，光线通过第k个结构的折射角为γ
k
，每个微直三棱柱最外侧折射光线与三棱柱底面夹为β
k
，器件最大工作距离为Z
max
；各结构等高时，入射光垂直于器件底面入射并通过该器件后，因两侧对称的三棱柱高度相同，折射面倾斜程度也相同，结构线性扩增，器件工作距离变大，两侧k值相同的对称微直三棱柱结构的折射光线汇聚，在工作距离内产生连续性焦斑，有匀光效果；各结构高度不等时，当入射光垂直于器件底面入射并通过该器件之后，通过控制两侧k值相同的微直三棱柱结构的工作距离，使其与中心微直三棱柱的工作距离相同，从而将各焦点汇聚在一点，达到聚焦，同时光强也随器件结构线性增加而成倍增大的效果。2.根据权利要求1所述的高度变化的共焦、匀光的微光学器件，其特征在于，所述的微直三棱柱材料为光学玻璃。3.根据权利要求1所述的高度变化的共焦、匀光的微光学器件，其特征在于，所述器件中，中心微直三棱柱的高度h1由斯涅尔定律...

【专利技术属性】
技术研发人员：匡登峰，隋新骐，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：