[发明专利]一种柱矢量光束亚波长多焦点聚焦的一维光子晶体平凹镜

说明书

技术领域

本发明属于人工微结构材料领域，尤其涉及一种用于柱矢量光束亚波长多焦点聚焦的一维光子晶体平凹镜。

背景技术

矢量光束具有独特的光强和偏振分布，其亚波长聚焦具有特殊的性质和广泛的应用，科研工作者们已经提出了许多不同的实现和调控方法，然而现有的各种方法都存在一定的局限性。传统的透镜难以实现更加紧致的聚焦且调控焦场的灵活性较低，因此研究热点转向了微结构领域。柱对称的等离激元透镜可以聚焦柱矢量光束的径向分量，并且具有器件集成度高的优势，但具有偏振态的局限性。为了拓宽柱矢量光束聚焦的应用领域，需要实现突破聚焦光束偏振态的限制的紧聚焦，并对焦场进一步灵活调控。

发明内容

本发明为了拓宽柱矢量光束聚焦的应用领域，提供一种柱对称的一维光子晶体平凹透镜，对正交偏振态同时有效的负折射效应。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种柱矢量光束亚波长多焦点聚焦的一维光子晶体平凹镜，所述多焦点聚焦的一维光子晶体平凹镜是由两种材料A和B交替排列的具有等效负折射率的一维光子晶体构成，并且出射面为柱对称凹面，所述一维光子晶体平凹镜具有一个以上的焦点。

所述多焦点聚焦的一维光子晶体的周期d＝a+b，其中a为材料A的厚度，b为材料B的厚度，通过调整结构参数a、b以及材料A和B的折射率n_a和n_b，使得一维光子晶体的能带结构在所需的光波段具有等效负折射率n_eff，并对正交偏振态具有同时有效的负折射效应。

所述等效负折射率n_eff采用基于等频曲线的等效折射率分析方法求出。

所述凹面不是连续凹面，是以光子晶体厚度d为一个周期单元、厚度固定而内径从下至上逐层等量递增的圆环层叠构成，圆环内侧为竖直壁，其顶角连线形成凹面，不同圆环层区域对应不同的焦距。

所述一维光子晶体平凹镜结构和焦点数量满足根据费马原理推导出的相位关系公式：n₀²r²+(n₀²-n_eff²)z²-2n₀f(1-n_eff)z＝0，

其中n₀为光子晶体在空气中的折射率，n_eff为光子晶体的等效负折射率，f为焦距，(r,z)为出射面顶点坐标值。

所述材料A为MgF₂，材料B为GaN，a＝10nm，b＝140nm。

为了实现多焦点聚焦的目的，本发明采用的一维光子晶体平凹镜是由两种材料A和B交替排列的具有等效负折射率的一维光子晶体构成，并且出射面为凹面。

平凹镜使用等频曲线来计算特定结构的一维光子晶体负折射率值的方法，光子晶体的等频曲线类似于双曲线，在TE偏振时用于分析出射角度的等频曲线，由于出射光线与法线的夹角可以等效到三角形内，这个三角形中就包含了入射角度、出射角度。Snell定律计算折射率使用的就是入射角度和出射角度之间的关系，角度之间的关系可以通过正弦定律转化到边线之间的关系。只要等频曲线的位置不变，折射率就是一个定值。这样根据上面推导，就能计算得出TE偏振时的负折射率；同理，TM偏振时候的负折射率也可以算出。

本发明对由介质MgF₂和GaN组成的一维光子晶体进行了研究，发现了这种光子晶体在某个特定频率下对正交偏振态具有相同的负折射率。所用的介质MgF₂和GaN的厚度分别为a＝10nm和b＝140nm，周期d＝a+b＝150nm，所使用的波长λ＝532nm，计算得到负折射率值为n＝-0.94。

平凹面不是连续凹面，是以光子晶体厚度d为周期单元、厚度固定而内径从下至上递增的圆环层叠构成，圆环内侧为竖直壁，选择的特定焦距对应唯一的结构。据所论述的平凹镜形貌数据的迭代计算方法，对于不同的焦距f，可以根据方程计算出出射面的每一个顶点的坐标，通过对出射面周期单元的合理设计，可以预测出射焦场的位置，以此类推，拓展至多个焦点的情况来实现多焦点聚焦。

平凹镜的柱对称结构是由费马原理推导的满足相位关系的公式得出，公式如下：