一种基于超材料的超分辨率聚焦平凸透镜制造技术

本实用新型专利技术公开了一种基于超材料的超分辨率聚焦平凸透镜，由前表面和后表面所构成，其前表面为椭球面面型，后表面为平面结构，聚焦平凸透镜内部、后表面附近填充有金属和电介质，金属和电介质交替排布构成同心圆弧，同心圆弧最外层材料为金属，每层材料厚度相等、且小于λ0/10，λ0为工作波长；同心圆弧圆心与聚焦平凸透镜前表面的聚焦点重合。本实用新型专利技术的超分辨率聚焦平凸透镜具有结构简单、易于实现、设计灵活等优点，可以实现超分辨率的聚焦。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于光存储领域，尤其涉及一种基于超材料的超分辨率聚焦平凸透^Mi ο
技术介绍
在光盘存储和读取、纳米加工等激光的应用中，需要将入射激光光束聚焦成一个足够小的光点。一束平面波经凸透镜后将被调制为会聚球面波，理想情况下将会聚成一个光点。然而，会聚光束在会聚过程中，聚焦光斑减小到一定程度后将不再减小。这是因为在光束聚焦过程中，角向波矢k0不断增大，当其超过真空中波矢1 时将成为倏逝波，倏逝波不能到达聚焦点，造成光束中高频成分的丢失。依据测不准原理AxAk = 2Ji，设聚焦透镜的数值孔径为NA，则其能够传递的最大波矢带宽八k为^tlNA,因此最小光斑尺寸Δ χ = AtlANA,其中，λ。为工作波长，该公式即为光学系统的衍射受限公式。围绕上述衍射受限公式，业内普遍采用缩短工作波长λ ^和提高数值孔径NA来实现更小聚焦光斑，例如，采用浸没技术、或设计更大相对孔径的光学系统等。采用上述方法虽然可以减小聚焦光斑尺寸， 但是无法实现超分辨率聚焦。目前，学术界对超分辨率聚焦的实现提出了不同的方法1)采用特殊结构的纳米波导压缩光斑，该方法虽然在理论上可以将聚焦光斑压缩至几十个纳米，但所要求的波导构造复杂，尺寸又很小，因此可操作性并不是很强；2)利用微纳结构来约束光斑，该类方法的实现需要设计一套复杂的微纳结构对表面等离子体波进行控制，在光束对准、模式匹配方面要求也较为严格，因此实现起来有一定难度@。文中涉及的参考文献如下Ε. Verhagen et.al. ,"Nanofocusing in laterally tapered plasmonic waveguides,，，Opt. Express, 16 (1)，45-57，(2008)R. Yang et. al. ,"Efficiently squeezing near infrared light into a 21nm-by-24nm nanospot,，，Opt. Express, 16 (24)，20143-20148，(2008)M. I.Stockman,"Nanofocusing of Optical Energy in Tapered Plasmonic Waveguides, ”Phys. Rev. Lett.，93，137404(2004)F. Μ. Huang, and N. I. Zheludev, "Super-resolution without evanescent waves,，，Nano Lett. ,9(3), 1249-1254 (2009)X. Wei,et. al. ,"Nanofabrication with controllable localization energy based on the interference modulation of surface plasmons, " Opt. Express, 16 (19), 14404-14410(2008)
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本技术从光束聚焦原理出发，提供了一种结构简单、设计灵活、易于实现、高度集成的、基于超材料的超分辨率聚焦平凸透镜。为了解决上述技术问题，本技术采用如下技术方案一种基于超材料的超分辨率聚焦平凸透镜，由前表面和后表面所构成，其前表面为椭球面面型，后表面为平面结构，聚焦平凸透镜内部、后表面附近填充有金属和电介质， 金属和电介质交替排布构成同心圆弧结构，同心圆弧结构最外层材料为金属，每层材料厚度相等、且小于λ/ιο，λ ^为工作波长；所述的同心圆弧圆心与聚焦平凸透镜前表面的聚焦点重合。在工作波长下，上述金属和电介质的介电常数的绝对值大致相等，作为优选，金属为银，电介质为三氧化二铝。为了避免聚焦能量的损失，上述同心圆弧结构的外径尽^^^"^，其中，λο4n tan θ sin θ为工作波长，η为聚焦平凸透镜材料折射率，θ为聚焦平凸透镜的孔径角。本技术侧重于从光束聚焦的原理上来解决超分辨率聚焦问题。会聚光束在会聚过程中，光斑减小到一定程度后将不再减小的原因是因为倏逝波不能到达聚焦点，因此要实现超越衍射极限的光束聚焦，必须使会聚波中的倏逝波成分参与聚焦，也就是要找到一种材料，使得角向波矢超过1 的倏逝波仍然能够以行波的方式前进，并最终抵达聚焦点。 传统光学材料无法满足上述要求，但近年来发展的超材料(metamaterial)则为解决上述问题提供了新的思路。超材料可通过特殊设计，得到受调制的介电常数和磁导率，利用超材料制作的光学元件具有比传统透镜更优的控制电磁波能力。基于以上基本思路，本专利技术将金属和电介质交替排布的得到的同心圆弧结构超材料填充在聚焦平凸透镜内部，这种人工复合超材料具有双曲色散关系，再加上其同心圆弧结构正好与会聚波的波前相吻合，因此会聚波在其中将会以行波的方式、无扰动的前进，并最终抵达透镜后平面出射，实现超分辨率聚焦。本技术聚焦平凸透镜在使用时，将其放置于准直光路中，且前表面必须朝向入射平行光，入射平行光经前表面聚焦为会聚球面波，其内部填充的同心圆弧结构用于传递会聚球面波中具有较大角向波矢的光束，最终在透镜的后表面形成超越衍射极限的聚焦光斑，从而实现超分辨率聚焦。采用本技术聚焦透镜所得聚焦光斑尺寸rM = 3^7^，其中，、为工作波长，NA为聚焦平凸透镜的数值孔径, 为同心圆弧结构的外径、R1为聚焦平凸透镜后表面与同心圆弧结构圆心的距离。本技术与现有技术相比所具有的优点如下1、本技术所能实现超分辨率的聚焦平凸透镜仅由金属和电介质交替填充在普通聚焦平凸透镜中，因此具有结构简单、易于实现、设计灵活等优点；2、本技术将圆弧结构的超材料填充在聚焦平凸透镜后表面附近，因此可将角向波矢超过h的倏逝波传递到聚焦平凸透镜的焦面附近，是超分辨率聚焦理论和技术的重大突破；3、本技术聚焦透镜中所有入射到超材料上的光束都将向聚焦点会聚，因此可将入射场波动、透镜面型误差和对准误差等对聚焦的影响降到最低程度。附图说明图1是本技术聚焦平凸透镜的结构原理示意图，其中，D为聚焦平凸透镜的通光口径，θ为聚焦平凸透镜的孔径角，R1为聚焦平凸透镜后表面与同心圆弧结构圆心的距离，&为同心圆弧结构的外径；图2是本技术的聚焦平凸透镜和未填充超材料的普通聚焦平凸透镜的波矢色散曲线，(a)为本技术的聚焦平凸透镜的波矢色散曲线，(b)为普通聚焦平凸透镜的波矢色散曲线；图3是本技术中实施例1的普通聚焦平凸透镜的调制传递函数图；图4是本技术中实施例1的普通聚焦平凸透镜聚焦情形的模拟仿真；图5是本技术中实施例1的普通聚焦平凸透镜后表面出口处功率流的横截面分布；图6是本技术中实施例1的填充超材料的聚焦平凸透镜聚焦情形的模拟仿真；图7是本技术中实施例1的填充超材料的聚焦平凸透镜后表面出口处功率流的横截面分布；图8是本技术中实施例2的填充超材料的聚焦平凸透镜的结构原理示意图；图9是本技术中实施例2的填充超材料的聚焦平凸透镜聚焦情形的模拟仿真；图10是本技术中实施例2的填充超材料的聚焦平凸透镜后表面出口处功率流的横截面分布。具体实施方式本专利技术提供的基于超材料的超分辨率聚焦装置本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种基于超材料的超分辨率聚焦平凸透镜，由前表面和后表面所构成，其前表面为椭球面面型，后表面为平面结构，其特征在于：所述的聚焦平凸透镜内部、后表面附近填充有金属和电介质，金属和电介质交替排布构成同心圆弧，同心圆弧最外层材料为金属，每层材料厚度相等、且小于λ０／１０，λ０为工作波长；所述的同心圆弧圆心与聚焦平凸透镜前表面的聚焦点重合。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郑国兴，张瑞瑛，李松，何平安，周辉，杨晋陵，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：实用新型
国别省市：83