[發(fā)明專利]一種高衍射效率負折射光柵平凹鏡及其設(shè)計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010370015.2
• 申請日: 2020-04-30
• 公開（公告）號: CN111552075B
• 公開（公告）日: 2022-10-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 許吉;劉山峰;朱聰穎;劉寧;陸云清;孫鈺琪
• 申請（專利權(quán)）人: 南京郵電大學(xué)
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00;G02B5/18
• 代理公司: 南京蘇科專利代理有限責(zé)任公司 32102
• 代理人: 范丹丹

1.一種高衍射效率負折射光柵平凹鏡的設(shè)計方法，該平凹鏡包括一個入射面和一個出射面，平凹鏡的入射面為平面，出射面為凹面，且出射面由一系列高度相同，內(nèi)徑自下而上逐漸增大的等高同心環(huán)階梯組成,所述負折射光柵的入射光為徑向偏振光，平凹鏡以單一材料Si₃N₄為介質(zhì)，其特征在于：該設(shè)計方法包括以下步驟：

S1：確定負折射光柵平凹鏡的工作波長λ₀，選擇材料折射率為n，調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)d_⊥，結(jié)構(gòu)參數(shù)d_⊥為負折射光柵的縱向階梯高度，使負折射光柵的-1級衍射具有等效的負折射率，λ₀、n和d_⊥之間滿足nd_⊥λ₀；

S2：以入射光垂直入射進入平凹鏡為入射方向條件，根據(jù)S1步驟中確定的材料折射率n，光波波長λ₀和結(jié)構(gòu)參數(shù)d_⊥，得到負折射光柵的等效負折射率n_eff；

S3：根據(jù)S2步驟中所獲得的等效負折射率n_eff，結(jié)合預(yù)設(shè)焦距f和等光程原理，通過設(shè)計負折射光柵平凹鏡每一個同心環(huán)階梯頂點的橫向坐標r_m，得到平凹鏡的基本形貌；

S4：為實現(xiàn)對-1級衍射波的聚焦，需進一步優(yōu)化和調(diào)整S3步驟得到的平凹鏡的基本形貌以消除高級次衍射產(chǎn)生的次級焦點影響，其中

-2級衍射需要滿足

-3級衍射需要滿足

式中w₁和w₂表示-2級和-3級衍射產(chǎn)生時，模型中相鄰兩光柵階梯頂點的橫向坐標差；-2級衍射需要滿足的條件為w₁≥673nm，-3級需要滿足的條件為w₂≥1215nm；

S5：光柵階梯總數(shù)為k，對等效負折射率n_eff值和光柵階梯總數(shù)k進行限制，避免負折射光柵內(nèi)部發(fā)生全反射，保證聚焦的能量效率，負折射光柵內(nèi)部發(fā)生全反射需要滿足的第一個條件為|n_eff|n₀，第二個條件為入射角度大于發(fā)生全反射的臨界角。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高衍射效率負折射光柵平凹鏡的設(shè)計方法，其特征在于：在所述S1步驟中，-1級衍射的等效負折射率n_eff和λ₀、n及d_⊥參數(shù)之間的關(guān)系滿足：n_eff＝n-λ₀/d_⊥。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高衍射效率負折射光柵平凹鏡的設(shè)計方法，其特征在于：在所述S3步驟中，光柵平凹鏡每一個同心環(huán)階梯頂點的橫坐標r_m由下式?jīng)Q定，

其中z_m與m的關(guān)系為z₁＝d_⊥,z₂＝2d_⊥,z₃＝3d_⊥,…,z_m＝md_⊥；

式中：n₀表示真空折射率，z_m表示第m層光柵階梯的總高度，且z_m＝md_⊥，m為階梯的序號，且m值為大于零的整數(shù)，f為預(yù)設(shè)焦距，n_eff為該平凹鏡的等效負折射率。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高衍射效率負折射光柵平凹鏡的設(shè)計方法，其特征在于：光柵階梯總數(shù)k＝30，入射波長λ₀＝532nm，預(yù)設(shè)焦距f＝8μm，介質(zhì)折射率為n＝2.0的Si₃N₄，對應(yīng)的d_⊥調(diào)整為183.4nm，等效負折射率為n_eff＝-0.9。