[发明专利]具有负像方焦距的汇聚透镜

说明书

技术领域

本发明涉及一种汇聚透镜，具体涉及一种基于负折射率材料的具有负像方焦距的汇聚透镜，可用于常规材料汇聚透镜所适用的任何领域，如电磁波汇聚、扩束、照明、成像、信息处理、显微、诊断、光刻与加工等电磁波应用领域。

背景技术

常规材料对电磁波的折射率均为正值(其中，对X射线的折射率略小于1，对其它电磁波的折射率大于1)。电磁波从折射率为n₁的一种常规材料，进入折射率为n₂的另一种常规材料时，必须穿过两种常规材料的交界面。电磁波在此界面上将发生折射，折射波与入射波同处于入射面内，且位于界面法线的异侧；若规定入射角α总取正值，且规定折射波与入射波位于界面法线的异(同)侧时的折射角β取正(负)值，则上述折射规律满足n₁sinα＝n₂sinβ的数值关系。电磁波在两种材料界面上的上述折射关系，称为折射定律。因为常规材料的折射率恒正，所以，按照折射定律，电磁波从两种常规材料之间的界面上折射穿过时，折射角总是正值，而不可能为负值，即折射波与入射波不可能位于法线的同侧。由常规材料构成的单透镜，对平面电磁波汇聚时，具有正像方焦距。如果想要用常规正折射率材料单透镜具有负像方焦距，对应的单透镜对平面电磁波是发散的。就是说，现有常规正折射率材料单透镜，无论怎样设计，都不能实现对平面电磁波具有汇聚作用的同时，具有负像方焦距。

1968年，前苏联物理学家V.G.Veselago提出了左手化媒质(left handedmedium，LHM)理论。该理论认为电磁波在左手化媒质中传播时，折射率可以取负值；而且认为电磁波穿过常规材料与左手化媒质的交界面时，仍遵从上述折射定律。这样，电磁波穿过常规材料与左手化媒质的交界面(或左手化媒质与常规材料的交界面)时，折射角必将取负值，表现为折射波与入射波位于界面法线同侧的物理现象，称为负折射。因此，左手化媒质又常被称为负折射率材料(negative indexmaterial，NIM)或负折射材料等。

近年来，人们发现在周期性排列的人工结构材料中，如光子晶体中存在负折射现象，也就是说，对一定波长范围的电磁波，光子晶体的等效折射率小于零(M.Notomi，Theory of light propagation in strongly modulated photonic crystals：Refractionlike behavior in the vicinity of the photonic band gap，PHYSICAL REVIEWB，Vol.62，No.16，2000-II，10696-10705.)。实验研究也表明，光子晶体中具有负折射效应(E.Cubukcu，K.Aydin，E.Ozbay，S.Foteinopoulou，C.M.Soukoulis，Negativerefraction by photonic crystals，NATURE，Vol.423，June 2003，604-605.)。目前，表现出负折射效应的负折射率材料不断出现和更新；关于负折射率材料的最新研究多集中于材料制备和性能表征方面；负折射率材料应用研究多集中在波导或完美成像等近场领域。负折射率材料因其独特的电磁特性，还会具有常规材料所不具备的其它特别应用。本发明涉及一种基于负折射率材料的应用，是一种新型汇聚透镜；对指定波长的电磁波，选择适当折射率的负折射率材料，以指定的几何外形制作透镜，能实现对平面电磁波具有汇聚作用的同时，具有负像方焦距，这是常规材料单透镜所不能实现的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够对平面电磁波汇聚的同时具有负像方焦距的会聚透镜，以丰富透镜的功能和应用。