一种基于金属条形天线阵列的反射式超衍射线聚焦器件制造技术

一种基于金属条形天线阵列的反射式超衍射线聚焦器件，从上到下依次为金属条形天线阵列、介质层、金属膜层和基底层。金属条形天线阵列单元是由金属条形天线沿Y方向以Ty为周期排列形成的Y方向阵列结构，金属条形天线阵列单元沿X方向以周期Tx排列形成金属条形天线阵列。对于给定入射光波长λ、选择金属材料、介质层材料和金属条形天线厚度，并改变金属条长度L和宽度W，实现空间平面内反射光振幅和相位的调控，根据振幅空间分布A(xi)和相位空间分布P(xi)，得出的中心位置位于xi的第i个金属条形天线的长度Li和宽度Wi，进而对反射光实现远场超衍射线聚焦功能。本发明专利技术可突破衍射极限，实现小于衍射极限的焦斑尺寸、旁瓣峰值比低、峰值强度高。

Reflection type x-ray focusing device based on metal bar antenna array

The utility model relates to a reflection type super diffraction ray focusing device based on a metal bar antenna array, which is a metal strip antenna array, a dielectric layer, a metal film layer and a base layer from top to bottom. The metal strip antenna array unit is composed of a metal strip antenna in the Y direction Ty Y direction array structures formed by metal strip antenna units along the X direction by periodic Tx are arranged to form metal strip antenna array. For a given incident wavelength lambda, selection of metal materials, dielectric materials and metal strip thickness of antenna, and change the metal strip length L and width W, controlling the reflected light amplitude and phase space plane, according to the distribution of the amplitude of A space (XI) and the phase distribution of P (XI), it is located in the center position Xi I of the metal strip antenna length Li and width Wi, and then the reflected light far-field diffraction of super focusing function. The invention can break through the diffraction limit, realize the focal spot size smaller than the diffraction limit, the peak to sidelobe ratio is low, and the peak intensity is high.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光聚焦、光成像领域，特别是涉及反射式超衍射线聚焦器件。
技术介绍
在微纳光学器件中，超衍射聚焦透镜通常采用亚波长结构阵列实现对入射电磁波振幅相位的调控，然而，透射型亚波长结构难以兼顾高振幅透射率和大相位调控范围，导致器件透射率低，大大限制了其应用。反射型亚波长结构，可以在保证较高透射率的前提下，实现对入射光的大范围相位调控，可以有效地提高聚焦器件的聚焦效率和聚焦性能，如：提高聚焦能量、降低聚焦光场的旁瓣、减小焦斑尺寸等。目前尚无反射式超衍射线聚焦器件的相关报道。现有报道的反射式聚焦器件，其聚焦性焦斑仍未突破衍射极限。●Jieqiu Zhang,et al.,Circularly polarized wave reflection focusing metasurfaces,Acta Phy.Sin.，2015,64(12).●Sergey I.Bozhevolnyi,et al.,Broadband focusing flat mirrors based on plasmonic gradient metasurfaces,Nano LETTERS，2013,13:829-834.根据现有的透射型透镜的聚焦性能可知，其光能利用率普遍较低，透射效率均不超过20％，如由V型天线阵列组成的透射式微透镜，由于透射光中同时存在偏振方向相互垂直的两种线偏振光，因此实验时需通过偏振片将其中一种线偏振光滤除，这样不仅降低了光能利用率也影响了器件的聚焦性能。而现有的反射式聚焦器件虽然聚焦效率高，但其焦斑尺寸普遍较大且旁瓣比率高，未实现超衍射聚焦，因此大大限制了应用范围。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于金属条形天线阵列的反射式超衍射线聚焦器件，实现对垂直入射平面波的远场超衍射线聚焦，并提高超衍射聚焦器件的聚焦性能，提高聚焦能量、降低聚焦光场的旁瓣、减小聚焦焦斑的尺寸。本专利技术通过以下技术方案来加以实现：一种基于金属条形天线阵列的反射式超衍射线聚焦器件，基底、金属膜层、介质层和由金属条形天线单元平行排列构成的金属条形天线阵列。所述基底是一块具有一定厚度的介质材料，厚度为t1。所述金属膜层是位于基底上一层具有一定厚度t2的金属材料膜。以介质层为参考平面建立三维坐标系，所述金属条形天线阵列是由具有不同(或相同)长度L、宽度W的金属条形天线阵列单元，沿X方向以周期Tx排列，形成金属条形天线一维阵列。所述金属条形天线阵列单元是金属条形天线沿Y方向以Ty为周期排列形成的Y方向阵列结构。所述金属条形天线是在X方向坐标位置为x、Y方向长度为L、X方向宽度为W、厚度为t4的金属条形结构。本专利技术是根据线聚焦目标参数，包括焦距、焦斑峰值、焦斑半高全宽、旁瓣峰值比(最大旁瓣与焦斑峰值之比值)，确定线聚焦器件振幅与相位的空间分布A(xi)与P(xi)。本专利技术的金属天线阵列中，第i个金属条形天线阵列单元所在位置为xi，对于给定波长λ的垂直入射平面波，通过改变第i个金属条形天线阵列单元中金属条形天线的长度Li和宽度Wi，在空间坐标xi位置处，实现对其反射光振幅和相位的调控。对于给定的透镜振幅空间分布A(xi)和相位空间分布P(xi)，根据振幅、相位与金属条形天线的长度L和宽度W之间的关系A(L,W)和P(L,W)，确定xi位置处金属条形天线的长度Li和宽度Wi，进而实现所设计反射式线聚焦器件的超衍射聚焦功能。要实现以上的反射式超衍射聚焦器件，需要确定器件所采用的金属材料、金属膜层厚度t2、介质层厚度t3、金属条形天线长度L、宽度W、厚度t4，和确定反射光振幅、相位变化量与金属条形天线阵列单元中金属条形天线长度L、宽度W的函数关系A(L，W)和P(L，W)，并根据线聚焦目标参数，包括峰值、焦斑半高全宽、旁瓣峰值比即最大旁瓣与焦斑峰值之比值，确定线聚焦器件振幅与相位的空间分布A(xi)与P(xi)，最后根据A(xi)与P(xi)和A(L，W)和P(L，W)确定X方向位于xi的金属条形天线阵列单元的金属条形天线长度Li、宽度Wi，方法如下：1.根据给定的入射光波长λ，采用有限元法求解麦克斯韦方程，选取金属膜层材料与厚度t2，使其振幅反射率大于85％；同时金属材料能满足反射光相位调控范围大于π到接近或达到2π；2.根据给定的入射光波长λ，采用有限元法求解麦克斯韦方程，在入射平面波垂直入射条件下，通过控制变量法，分别计算介质层厚度t3、金属条形天线长度L、宽度W、厚度t4以及周期Tx和Ty对反射光振幅和相位的影响，遵循使反射光振幅尽可能大，且反射光相位调制范围尽可能大的原则来优化以上参数；3.通过有限元法数值模拟，对于给定的入射光波长λ，平面波垂直入射条件下，根据优化后的参数：底层金属膜层厚度为t2、介质层厚度为t3、金属条形天线厚度为t4、周期Tx和Ty，对不同金属条形天线长度L和宽度W，求解反射光的振幅A(L,W)和相位P(L,W)；4.采用优化设计方法，根据线聚焦目标参数(焦距、焦斑峰值、焦斑半高全宽、旁瓣峰值比(最大旁瓣与焦斑峰值之比值))，求解线聚焦器件所需的空间振幅分布A(xi)和相位分布P(xi)，并根据金属条形天线长度L和宽度W与反射光振幅和相位的关系式A(L,W)和P(L,W)，确定空间位置xi处的金属条形天线的长度Li和宽度Wi，以实现反射式超衍射线聚焦器件。本专利技术可以实现远场超衍射线聚焦，其中金属条形天线阵列单元中金属条形天线材料、长度、宽度和厚度共同决定了反射光的振幅和相位，对于给定的金属条形天线材料和厚度，通过改变金属条形天线长度和宽度可以实现振幅相位调控；利用该金属条形天线阵列单元平行排列构成金属条形天线阵列，可实现任意给定的线聚焦器件振幅相位空间分布；根据线聚焦目标参数(焦距、焦斑峰值、焦斑半高全宽、旁瓣峰值比(最大旁瓣与焦斑峰值之比值))确定线聚焦器件振幅与相位的空间分布A(xi)与P(xi)，最后根据A(xi)与P(xi)和A(L，W)与P(L，W)确定X方向位于xi的金属条形天线阵列单元中金属条形长度Li、宽度Wi，使其反射光光场满足超衍射聚焦器件对空间振幅相位分布的要求，从而实现对垂直入射平面波的远场超衍射线聚焦，并提高超衍射聚焦器件的聚焦性能，提高聚焦能量、降低聚焦光场的旁瓣、减小聚焦焦斑的尺寸。以下详细分析采用本专利技术所述的反射式超衍射线聚焦器件的优势：图1给出了尺寸相同的目标场一致的透射型超衍射线聚焦器件与反射型超衍射线聚焦器件聚焦光场强度分布比较(CST仿真结果)；对于同样的入射光强度(单位入射强度)，透射型超衍射线聚焦器件焦斑中心强度为4.7，反射型超衍射线聚焦器件中心焦斑的强度为26.1，约为透射型强度的5.5倍；两者主瓣的半宽分别为0.32λ(202.6nm)和0.34λ(217.4nm)，均实现了超衍射聚焦；透射型超衍射线聚焦器件焦平面上的主瓣能量与焦平面总能量之比为1.9％，而反射型超衍射线聚焦器件焦平面上的主瓣能量占焦平面总能量的17％，大大提高了光能利用率。因此采用反射型超衍射线聚焦器件可以提高器件的聚焦能力。图2给出了透射型超衍射线聚焦器件(虚线)与反射型超衍射线聚焦器件(实线)归一化聚焦光场强度分布比较；在焦平面上(-100λ,+100λ)范围内，透本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于金属条形天线阵列的反射式超衍射线聚焦器件，用于实现远场超衍射线聚焦；其特征在于包括基底（1）、金属膜层（2）、介质层（3）和金属条形天线阵列（6）；所述基底（1）是厚度为t1的介质材料；所述金属膜层（2）是厚度为t2的金属材料膜，位于基底上；所述介质层（3）是厚度为t3的介质膜，位于金属膜层上；所述金属条形天线阵列（6）分布于介质层上，金属条形天线阵列（6）是以介质层为参考平面建立三维坐标系，由金属条形天线阵列单元（5）沿X方向以周期Tx排列形成的金属条形天线结构阵列；所述金属条形天线阵列单元（5）是由金属条形天线（4）沿Y方向以Ty为周期排列形成的Y方向阵列结构；金属条形天线（4）是Y方向长度为L、X方向宽度为W、厚度为t4的金属条形结构；其中在X方向位于xi的金属条形天线阵列单元，其金属条形天线长度为Li、宽度为Wi、厚度为t4；对于给定的线聚焦器件振幅与相位的空间分布A(xi)与P(xi)，根据金属条形天线长度L、宽度W与反射光振幅A(L，W)、相位P(L，W)的函数关系，得到金属条形天线长度Li和宽度Wi与坐标xi的关系，满足线聚焦器件实现超衍射线聚焦功能所需的器件振幅与相位的空间分布A(xi)与P(xi)，进而实现对反射光的实现超衍射线聚焦功能；对于给定的入射光波长λ，通过选择金属材料、介质层材料和金属条形天线厚度t4，并改变各金属条形天线阵列单元的金属条形天线长度L和宽度W，实现空间平面内反射光振幅和相位的调控，进而对反射光实现远场超衍射线聚焦功能。...

【技术特征摘要】
1.一种基于金属条形天线阵列的反射式超衍射线聚焦器件，用于实现远场超衍射线聚焦；其特征在于包括基底（1）、金属膜层（2）、介质层（3）和金属条形天线阵列（6）；所述基底（1）是厚度为t1的介质材料；所述金属膜层（2）是厚度为t2的金属材料膜，位于基底上；所述介质层（3）是厚度为t3的介质膜，位于金属膜层上；所述金属条形天线阵列（6）分布于介质层上，金属条形天线阵列（6）是以介质层为参考平面建立三维坐标系，由金属条形天线阵列单元（5）沿X方向以周期Tx排列形成的金属条形天线结构阵列；所述金属条形天线阵列单元（5）是由金属条形天线（4）沿Y方向以Ty为周期排列形成的Y方向阵列结构；金属条形天线（4）是Y方向长度为L、X方向宽度为W、厚度为t4的金属条形结构；其中在X方向位于xi的金属条形天线阵列单元，其金属条形天线长度为Li、宽度为Wi、厚度为t4；对于给定的线聚焦器件振幅与相位的空间分布A(xi)与P(xi)，根据金属条形天线长度L、宽度W与反射光振幅A(L，W)、相位P(L，W)的函数关系，得到金属条形天线长度Li和宽度Wi与坐标xi的关系，满足线聚焦器件实现超衍射线聚焦功能所需的器件振幅与相位的空间分布A(xi)与P(xi)，进而实现对反射光的实现超衍射线聚焦功能；对于给定的入射光波长λ，通过选择金属材料、介质层材料和金属条形天线厚度t4，并改变各金属条形天线阵列单元的金属条形天线长度L和宽度W，实现空间平面内反射光振幅...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈刚，温中泉，李语燕，余安平，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50