[发明专利]一种焦距可控一维光子晶体平凹镜的设计方法

说明书

技术领域

本发明属于人工微结构材料和精细光场调控领域，具体涉及一种焦距可控平凹镜的设计方法。

背景技术

随着科学加工技术的发展，现今已经可以加工出尺寸小到纳米量级的材料，而这些材料具有很多其在宏观尺度下所不具有的特殊效应，如量子尺寸效应、小尺寸效应、表面与界面效应和宏观量子隧道效应等等，因而在通信、生物医学、传感和存储等领域具有广阔的应用前景。人工微结构材料是指对微纳尺度范围的材料进行结构上的设计和整合来实现对电磁波的灵活调控、得到一些新颖的光学特性，是目前光学与多学科前沿交叉领域的研究热点。

相比于标量光束，偏振态空间非均匀分布的矢量光束在时空演化和与物质的相互作用方面蕴含着更丰富的物理效应。其中柱矢量光束(CVB)的偏振态在空间沿着轴向呈柱对称分布，这种独特的偏振态分布特性和相关的物理效应吸引了广大科研工作者的研究，其在光学微操纵、单分子成像、超分辨显微、微加工等多个领域均有重要应用。

利用传统透镜，可实现径向偏振光的紧聚焦。随着研究的深入，CVB的调控手段逐渐丰富，其中亚波长尺度的聚焦，多利用等离激元透镜。Gilad M.Lerman等人在题为《Demonstration of Nanofocusing by the use of Plasmonic Lens Illuminated with Radially Polarized Light》的文章中实验验证了等离激元透镜对径向偏振光的聚焦，见NANO LETTERS第9卷第5期第2139-2143页的记载，但是等离激元是倏逝波的一种耦合模式，无法传播很远的距离，只能实现在透镜表面附近的聚焦，且由于等离激元激发的偏振依赖条件使得其对于CVB的亚波长聚焦局限在径向偏振光情况。

除了之外，传统的抛物面镜通过对波前的变换使得光束向着同一个方向会聚，也可以径向偏振光的深度紧聚焦，但是其反射聚焦的方法存在一定缺点，入射场和聚焦场位于抛物面镜的同侧，难以实现有效的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种焦距可控的一维光子晶体平凹镜的设计方法，特别适用于对径向偏振光和旋向偏振光同时进行亚波长尺度聚焦，对于线偏光情况也同样适用。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种焦距可控的一维光子晶体平凹镜的设计方法，其特征在于：所述一维光子晶体平凹镜由两种材料A和B交替排列的一维光子晶体构成，以光子晶体的结构参数为单元、厚度固定而内径由下而上递增的圆环层叠构成，其出射面是相邻圆环层上沿连接成的凹面，其设计方法包括以下步骤：

(1)确定平凹镜的光波频带，选择两种材料A和B，通过调整结构参数使一维光子晶体的负折射能带落在所要求的光波段；

(2)以入射光垂直入射进平凹镜为入射方向条件，根据确定的光波频带和结构参数获得一维光子晶体的等效负折射率；

(3)根据确定的结构参数和等效负折射率确定平凹镜的结构参数。

所述步骤(1)中的结构参数为一维光子晶体沿纵向的周期，采用公式：d＝a+b，式中：d为沿纵向的周期，a为材料A的厚度，b为材料B的厚度。

步骤(3)中所述平凹镜的结构参数由下式确定：

式中：α_i和α_r为入射光经过了k个周期的光子晶体到达这个出射面时的入射角度α_i和出射角度α_r；k为不小于零的整数；x_k和x_k-1为第k层和k-1层裸露光子晶体的尖端的坐标；f为焦距；n为等效的负折射率；d为纵向结构周期。

以上四个式子为确定所平凹镜结构的参数的迭代公式，可以令x₀＝0，加上前面步骤所求得的周期d和等效负折射率n，将式(1)、式(3)、式(4)带入式(2)求出x₁的值；得到x₁的值后进行迭代计算可以求得x₂的值，如此重复可以得到一组横坐标的值，对于x_k其纵坐标为k×d；由这样一组坐标可以确定所设计的结构的形状。其中层数k可以用来控制焦点的亮暗，可根据需要进行选择。

一维光子晶体等效负折射率的计算可以采用如等频曲线结合折射定律的方法，但不限于此方法。