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CN105116474A - 一种柱矢量光束长焦深亚波长聚焦的一维光子晶体平锥镜 - Google Patents

一种柱矢量光束长焦深亚波长聚焦的一维光子晶体平锥镜 Download PDF

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许吉
王胜明
万洪丹
仲义
任蓉
王瑾
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Nanjing Post and Telecommunication University
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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/001—Axicons, waxicons, reflaxicons

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Polarising Elements (AREA)
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Abstract

本发明公开了一种用于柱矢量光束长焦深亚波长聚焦的一维光子晶体平锥镜，一维光子晶体平锥镜是由两种材料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，并且出射面为倒锥面。所述倒锥面不是连续锥面，是以光子晶体一个周期d为单元、厚度固定而内径由下而上等量递增的圆环层叠构成，圆环内侧为竖直壁，其顶角连线与水平面之间呈夹角。本发明的平锥镜可以同时实现对径向偏振光和旋向偏振光的聚焦，从而分别获得纵向场均匀分布的光针形和光管形焦点；通过改变光子晶体的结构参数可以实现宽波段的聚焦；通过对平锥镜大小的伸缩可以控制焦深的长短。本发明结构简单、设计流程简便、结构易制备，在近场光学、激光加工和医学等领域有较好的应用前景。

Description

一种柱矢量光束长焦深亚波长聚焦的一维光子晶体平锥镜
技术领域
本发明涉及一种用于亚波长光子学、光学微操纵等领域的人工微结构材料，尤其涉及一种用于柱矢量光束长聚焦深亚波聚焦的一维光子晶体平锥镜。
背景技术
透镜作为一种最基本的光学工具，其在光学显微镜、高密度光存储、激光雕刻等领域发挥着重要的作用。随着科学技术的发展，众多领域向着高集成和高密度等领域发展的同时也对于光学元件的聚焦光斑提出了更高的要求。柱矢量光束作为一种矢量光束，其在柱坐标中的对称性使其具有区别于标量光束的奇特应用范围，在多个领域已经表现出潜在的应用价值。柱矢量光束从狭义上说可以分为径向偏振光和旋向偏振光。当径向偏振光的传播方向在发生90°偏折聚焦形成光针形焦场分布时，其电场的偏振方向与垂直入射的径向偏振光的传播方向平行，这类光针型的聚焦光斑由于其独特的形状和相对均匀的相位分布在近场光学、激光加工和医学等领域具有较好的应用前景。
光针形的聚焦场一般可以采用两种方式获得，一种是二元光学元件加上消球差透镜，另一种是用抛物面的反射镜。TaoLiua等人在题为《Creationofsubwavelengthlightneedle,equidistantmulti-focus,anduniformlighttunnel》的文章中提出用二元光学元件加上消球差透镜来实现对径向或旋向偏振光的聚焦来产生光针形的焦场分布，见JournalofModernOptics第60卷第5期第378-381页的记载，但是因为对于消球差的透镜来说因为凸透镜的中间比周围要在纵向上占据更大的空间，无法实现90°的偏折，导致最终产生的光针形的焦场分布不均匀。对于第二种用抛物面反射镜的方法MinningZhu等人在题为《Creationofa50,000λlongneedle-likefieldwith0.36λwidth》的文章中提出用抛物面反射镜来产生光针形的焦场分布，见JournaloftheOpticalSocietyofAmericaA第31卷第3期第500-504页的记载。HaroldDehez等人在题为《Needlesoflongitudinallypolarizedlight:guidelinesforminimumspotsizeandtunableaxialextent》的文章中分析了抛物面反射镜和消球差透镜在径向偏振光照射下所形成的光针形焦场的电场分布情况，见Opticsexpress第20卷第14期第14891-14905页的记载。在利用具有抛物面的反射镜进行聚焦的方法中入射光和反射光位于镜子的同侧，限制了光针形焦场的使用范围。以上有关长焦深聚焦的两种方法都只是对径向偏振光而言的，并没有讨论旋向偏振光的聚焦情况。
发明内容
为了获得均匀的光针形焦场分布，使光针形焦斑与入射光位于透镜的两端，本发明提供了一种简易的一维光子晶体平锥镜，其焦点分布均匀且和入射光位于透镜异侧，对于径向和旋向偏振光同时有效。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种柱矢量光束长焦深亚波长聚焦的一维光子晶体平锥镜，所述的一维光子晶体平锥镜是由两种材料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，并且出射面为倒锥面。
所述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。
所述倒锥面不是连续锥面，是以光子晶体一个周期d为单元、厚度固定而内径由下而上等量递增的圆环层叠构成，圆环内侧为竖直壁，其顶角连线与水平面之间呈夹角αi。
所述夹角αi由公式得出，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。
本发明的有益效果是：本发明一种柱矢量光束长焦深亚波长聚焦的一维光子晶体平锥镜设计方法简单，可以实现入射光与焦点位于入射面两侧，焦点分布均匀；对径向和旋向偏振光都能实现长焦深亚波长聚焦；径向偏振光聚焦形成的光针形焦场的横向半高宽为0.362λ0，接近理论极限；旋向偏振光聚焦可以实现光管形的焦点。一维光子晶体平锥镜还可以改变光子晶体的结构参数可以实现宽波段的聚焦；通过对平锥镜大小的伸缩可以控制焦深的长短。
附图说明
图1为实施例一维光子晶体平锥镜在柱对称坐标系下r-z平面的截面图示意图，其中标志d为沿纵向的周期，α为每个周期单元顶点连线与z轴之间的夹角。
图2为实施例一维光子晶体平锥镜在径向偏振光照射下聚焦效果的刨面图。
图3为实施例一维光子晶体平锥镜在径向偏振光照射下r-z平面上的焦场分布图。
图4为实施例一维光子晶体平锥镜在径向偏振光照射下r-z平面上的焦场分布图，其中虚线框标记横向半高宽范围，插入的图为虚线框标示在该范围沿z轴的电场强度分布图。
图5为实施例一维光子晶体平锥镜在径向偏振光照射下所形成的光针的相位分布图，图中右上角为一个波长单位的标尺。
图6为实施例一维光子晶体在旋向偏振光照射下r-z平面上的焦场分布图，三维空间中其形状为一个中空的光管。
图7为实施例一维光子晶体在径向偏振光照射下r-z平面上的焦场分布图，相对于图1-6，本图为周期数为25时的聚焦效果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细说明，本实施例在以本发明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，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1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锥镜，入射光为呈bessel-gauss分布，频率为λ0＝532nm。为了使光子晶体在包括λ0＝532nm的波段内具有负折射率n，通过计算选定材料1为MgF2，材料2为GaN。一维光子晶体平锥镜的周期d＝a+b，a为MgF2的厚度，b为GaN的厚度，其值分别为10nm和140nm，结合MgF2的折射率n1＝1.38，GaN的折射率n2＝2.67可以求出由MgF2和GaN交替排列组成的一维光子晶体的等效负折射率为neff＝-0.94。
一维光子晶体平锥镜的锥面倾斜角度由公式求出，其中αi为平锥镜的斜面与水平面之间的夹角，n0为光子晶体在空气中的折射率，neff＝-0.94为光子晶体的等效负折射率。由以上数据可以求得平锥镜的斜面与水平面之间的夹角为αi＝46.77°。
一维光子晶体平锥镜的倒锥面不是连续锥面，而是以光子晶体一个周期d为单元、厚度固定而内径由下而上等量递增的圆环层叠构成，圆环内侧为竖直壁，其顶角连线与水平面之间的夹角αi。
在本实施例中沿纵向的结构单元为30层，平锥镜的结构单元由第二层开始从下向上每一层圆环的内径为141nm的整数倍，最上一层圆环内径为141*29＝4089nm，构成整个平锥镜的每一层圆环的外径都是4230nm，整个平锥镜纵向高度为30*(140+10)＝4500nm，如图1中所示每一个结构单元顶端连线与水平面夹角为αi＝46.77°。当入射光垂直平面端进入平锥镜，出射光相对入射光偏转90°形成光针形焦场分布。
图2给出了频率为λ0＝532nm的呈bessel-gauss分布的径向偏振光入射到该平锥镜聚焦效果的剖面图。
图3给出了r-z平面上的焦场分布图，可以明显观察到形成了光针形的焦点。
图4给出了沿z轴方向光针的归一化强度分布图，可以看出在一定范围之内光强分布较均匀。
图5给出了所形成的光针的相位分布图，其中的箭头表示电场相位分布情况，可以明显看出光针形焦场的相位分布较均匀，图中右上角的标尺表示一个波长单位，光针的横向半高宽为0.362λ0＝192.584nm，接近理论上的极限值。
图6给出了同频率的呈bessel-gauss分布的旋向偏振光的聚焦结果，焦点在r-z平面上为两根光针的形状，焦点在三维空间为两根光针旋转一周后的形状，该焦点为中空的具有一定厚度的光管形状。
为了验证平锥镜结构尺寸的收缩对焦深的影响，图7给出了沿纵向的结构单元为25层时的平锥镜在同频率径向偏振光照射下的聚焦效果，从图中可以看出焦深变小了。
由此实施例可以看出，本发明提出的平锥镜可以实现对径向和旋向偏振光的聚焦，对径向偏振光聚焦形成光针形的焦点，对旋向偏振光形成光管形的焦点，且形成的焦斑与入射光位于入射面两侧。这说明本实施例的一维光子晶体平锥镜能够实现对柱矢量光束的长焦深亚波长聚焦。

Claims (4)

1.一种柱矢量光束长焦深亚波长聚焦的一维光子晶体平锥镜，其特征在于：所述的一维光子晶体平锥镜是由两种材料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，并且出射面为倒锥面。
2.根据权利要求1所述的一维光子晶体平锥镜，其特征在于：所述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。
3.根据权利要求2所述的一维光子晶体平锥镜，其特征在于：所述倒锥面不是连续锥面，是以光子晶体一个周期d为单元、厚度固定而内径由下而上等量递增的圆环层叠构成，圆环内侧为竖直壁，其顶角连线与水平面之间呈夹角αi。
4.根据权利要求3所述的一维光子晶体平锥镜，其特征在于：所述夹角αi由公式得出，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。
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