[發明專利]一種高衍射效率負折射光柵平凹鏡及其設計方法

有效

• 申請號: 202010370015.2
• 申請日: 2020-04-30
• 公開（公告）號: CN111552075B
• 公開（公告）日: 2022-10-28
• 發明（設計）人: 許吉;劉山峰;朱聰穎;劉寧;陸云清;孫鈺琪
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 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任公司 32102
• 代理人: 范丹丹

本發明揭示了一種高衍射效率負折射光柵平凹鏡及其設計方法，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，內徑自下而上逐漸增大的等高同心環階梯組成。所述負折射光柵的入射光為徑向偏振光，平凹鏡以單一材料為介質。該設計方法可以對矢量光束實現亞波長尺度緊聚焦，如徑向偏振光和角向偏振光；也可以對標量光束進行亞波長尺度緊聚焦，如線偏振光。該技術方案利用了等效負折射效應，結合等光程原理，其優點在于放大倏逝波，提高衍射光束的能量利用率，并且能夠消次級焦斑，使聚焦焦點的焦場能量分布更優化。

技術領域

本發明涉及一種高衍射效率負折射光柵平凹鏡及其設計方法，可用于人工微結構材料和光場調控等技術領域。

背景技術

人工微結構是現在光學領域研究的熱點，它可以實現宏觀結構所不具有的一些效果，如粒子操控、激光精細加工、高密度光數據存儲、超分辨成像等，因而在信息存儲、生物醫學、光學成像和光刻等領域具有廣闊的應用前景。

利用拋物面反射鏡聚焦系統，通過反射光線實現聚焦，能夠在近軸條件下獲得無球差的緊聚焦光斑，但整體來說能量利用效率不高；利用高數值孔徑實現聚焦，需要較大的數值孔徑，盡管可以實現光束的緊聚焦，但隨著數值孔徑的增大，孔徑中間部分的光束并不能很好的聚焦在焦點處，降低了能量的利用效率；一維光子晶體平凹鏡可以實現亞波長聚焦，并對任意柱矢量光均有效，但不同的材料屬性對光束的作用不同，能量利用率的提高需要結合適當的材料選取，而且結構的制備上有一定困難。

發明內容

本發明的目的就是為了解決現有技術中存在的上述問題，提出一種高衍射效率負折射光柵平凹鏡及其設計方法。

本發明的目的將通過以下技術方案得以實現：一種高衍射效率負折射光柵平凹鏡，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，內徑自下而上逐漸增大的等高同心環階梯組成。

優選地，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。

本發明還揭示了一種高衍射效率負折射光柵平凹鏡的設計方法，該設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，調整結構參數d_⊥，結構參數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S1步驟中確定的材料折射率n，光波波長λ₀和結構參數d_⊥，得到負折射光柵的等效負折射率n_eff；

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

S4：為實現對-1級衍射波的聚焦，需進一步優化和調整S3步驟得到的平凹鏡的基本形貌以消除高級次衍射產生的次級焦點影響；

S5：光柵階梯總數為k，對等效負折射率n_eff值和和光柵階梯總數k進行限制，避免負折射光柵內部發生全反射，保證聚焦的能量效率。

優選地，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_⊥參數之間的關系滿足：n_eff＝n-λ₀/d_⊥。