一种聚焦涡旋光束的超透镜及超透镜阵列制造技术

本发明专利技术提供了一种聚焦涡旋光束的超透镜，包括包括呈二维周期性分布单元结构，所述单元结构包括基底和位于基底表面的的纳米介质柱，所述基底和纳米介质柱为全介质材料；采用Pancharatnam

A super lens and super lens array for focusing vortex beams

【技术实现步骤摘要】
一种聚焦涡旋光束的超透镜及超透镜阵列


[0001]本专利技术属于光学成像
，具体是涉及到一种聚焦涡旋光束的超透镜及超透镜阵列。

技术介绍

[0002]紫外波长范围的光学器件被广泛的应用在光刻和医疗领域。紫外光学器件为了实现波前整形通常会加工成曲面，这就会导致加工成本提升，体积较大，并且在紫外线照射下容易老化，会缩短器件的寿命。
[0003]近年来关于超透镜的研究主要集中在可见光到近红外波段，但是关于紫外波段超透镜的研究相对较少，现在所报道的紫外超透镜的功能也比较简单，单元结构的偏振转换效率和超透镜的聚焦效率等参数都有待提高。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是提供一种偏振转换效率高，数值孔径大的聚焦涡旋光束的超透镜。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术的技术方案如下，一种聚焦涡旋光束的超透镜，包括呈二维周期性分布单元结构，所述单元结构包括基底和位于基底表面的的纳米介质柱，所述基底和纳米介质柱为全介质材料。
[0006]单元结构的相位满足：
[0007][0008]其中，f代表超透镜的焦距，(x，y)为超透镜平面上任意位置的坐标，λ为超透镜的入射波长，入射波长λ的范围为214.2
‑
285.7nm，m表示涡旋光的拓扑荷数，单元结构与x轴的夹角为θ，单元结构的相位与θ需要满足
[0009]优选的，单元结构的周期P
x
＝P
y
＝0.15μm，基底厚度t＝0.1μm，纳米介质柱沿z轴方向的高度h＝0.4μm，沿x轴方向的长度是l＝0.08μm，沿y轴方向的宽度是w＝0.05μm，纳米介质柱的材料为氮化镓，基底的材料为二氧化硅。
[0010]优选的，所述聚焦涡旋光超透镜尺寸为15
×
15μm2，相位平面为100
×
100像素，透镜半径为R＝7.5μm，焦距设置f为15μm。
[0011]优选的，所述拓扑荷m＝2，所述入射波长λ＝214.2或λ＝248.3或λ＝260或λ＝285.7。
[0012]优选的，利用多个如权利要求2所述的聚焦涡旋光束的超透镜组成超透镜阵列，将不同拓扑荷数的涡旋光聚焦在同一个焦平面上。
[0013]优选的，由λ＝214.2，m＝
‑
1的超透镜、λ＝248.3，m＝1的超透镜、λ＝260，m＝
‑
2的超透镜及λ＝285.7，m＝2的超透镜组成2
×
2的超透镜阵列，所有超透镜的相位平面设置为100
×
100像素，焦距为15μm，透镜半径为7.5μm。
[0014]优选的，由m＝1、m＝2和m＝3的超透镜组成3
×
3的超透镜阵列，所有超透镜的相位平面设置为120
×
120像素，焦距为10μm，透镜半径为9μm。
[0015]本专利技术的有益效果是，本专利技术提出了紫外波段的大数值孔径高传输效率的单焦点超透镜，能将右旋圆偏振光被转化为携带轨道角动量的光，并将涡旋光聚焦在特定的焦平面上，另外也提供了能够将不同轨道角动量的涡旋光聚焦在同一焦平面上的2
×
2，3
×
3的超透镜阵列；紫外波段的大数值孔径高传输效率的单焦点超透镜，在粒子捕获、高通量光学光刻、高密度数据记录、焦平面阵列、雷达和通信系统提供了机会，都有很好的应用前景；紫外波段的聚焦涡旋光束的超透镜在光学操纵，病毒和细胞的操控方面具有很大的应用潜力，此外紫外波段的聚焦涡旋光束的超透镜阵列也可以应用于波前调控，多像素探测器阵列等领域。
附图说明
[0016]图1为本专利技术其中一实施例的结构示意图，图1(a)为超透镜整体结构示意图，RCP光从基板入射，超透镜可以将光束转化为左圆偏振光，聚焦于特定的焦平面上；图1(b)为单元结构三维结构图，图1(c)为单元结构与x轴的夹角θ的示意图、图1(d)为氮化镓(GaN)纳米颗粒的俯视图。
[0017]图2(a)为超透镜的结构示意图，图2(b)为透镜截面沿x轴的相位分布。
[0018]图3(a)为波长为214.2nm聚焦涡旋光超透镜V
214.2
的相位分布；图3(b)为x
‑
y平面的强度分布图；图3(c)为x
‑
z平面的强度分布图；图3(d)为x、y方向上焦平面光斑最大半宽处的全宽(FWHM)为654.2nm。
[0019]图4(a)为超透镜V
248.3
的x
‑
z方向的光场强度和焦平面的光场分布图；图4(b)为超透镜V
248.3
的相位分布；图4(c)为超透镜V
248.3
在x
‑
z平面的强度分布图。
[0020]图5(a)为超透镜V
260
的x
‑
z方向的光场强度和焦平面的光场分布图；图5(b)为超透镜V
260
的相位分布；图5(c)为超透镜V
260
在x
‑
z平面的强度分布图。
[0021]图6(a)为超透镜V
285.7
的x
‑
z方向的光场强度和焦平面的光场分布图；图6(b)为超透镜V
285.7
的相位分布；图6(c)为超透镜V
285.7
在x
‑
z平面的强度分布图。
[0022]图7(a)为2
×
2聚焦涡旋光超透镜阵列结构图；图7(b)为2
×
2超透镜阵列的相位分布图。
[0023]图8(a)
‑
(d)为波长分别为214.2、248.3、260、285.7nm时焦平面x
‑
y方向的光场强度图。
[0024]图9(a)为3
×
3聚焦涡旋光超透镜阵列结构图；图9(b)为3
×
3超透镜阵列的相位分布图。
[0025]图10(a)
‑
(d)波长分别为214.2、248.3、260、285.7nm时3
×
3超透镜阵列焦平面x
‑
y方向的光场强度。
具体实施方式
[0026]下面结合附图和具体实施例，对本专利技术的技术方案作进一步具体的说明：
[0027]实施例一
[0028]请一并参阅图1
‑
3，本实施例提供的聚焦涡旋光束的超透镜，包括呈二维周期性分
布单元结构，所述单元结构包括基底和位于基底表面的的纳米介质柱。
[0029]当右旋圆偏振光从基底入射，超透镜可将光束转化左旋圆偏振光，为了实现偏振光的转化，需要使透镜的单元结构满足Pancharatnam
‑
Berry(P
‑
B)相位。设计入射波长为214.2nm，涡旋光拓扑荷为2的聚焦涡旋光束的超透镜V...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种聚焦涡旋光束的超透镜，其特征在于，包括呈二维周期性分布单元结构，所述单元结构包括基底和位于基底表面的的纳米介质柱，所述基底和纳米介质柱为全介质材料，单元结构的相位满足：其中，f代表超透镜的焦距，(x，y)为超透镜平面上任意位置的坐标，λ为超透镜的入射波长，入射波长λ的范围为214.2
‑
285.7nm，m表示涡旋光的拓扑荷数，单元结构与x轴的夹角为θ，单元结构的相位与θ需要满足2.如权利要求1所述的聚焦涡旋光束的超透镜，其特征在于：单元结构的周期P
x
＝P
y
＝0.15μm，基底厚度t＝0.1μm，纳米介质柱沿z轴方向的高度h＝0.4μm，沿x轴方向的长度是l＝0.08μm，沿y轴方向的宽度是w＝0.05μm，纳米介质柱的材料为氮化镓，基底的材料为二氧化硅。3.如权利要求2所述的聚焦涡旋光束的超透镜，其特征在于：所述聚焦涡旋光超透镜尺寸为15
×
15μm2，相位平面为100
×
100像素，透镜半径为R＝7.5μm，焦距设置f为15μm。4.如权利要求3所述的聚焦涡旋光束的超透镜，其特征在于：所述拓扑荷数m＝2，所述入射波长λ＝214.2或λ＝248.3或λ＝260或λ＝285.7。5.一种聚焦涡旋光束的超透镜的超透镜阵列，其特征在于：利用多个如权利要求1所述的聚焦涡旋光束的超透镜组成超透镜阵列，将不同拓扑荷数的涡旋光聚焦在同一个焦...

【专利技术属性】
技术研发人员：张金平，杨俊波，吴加贵，袁欢，王泽豪，邓阳，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：