[发明专利]一种远场超衍射三维空心焦斑平面聚焦器件

权利要求书

1.一种远场超衍射三维空心焦斑平面聚焦器件，其特征在于包括基底(1)以及位于基底(1)上的同心介质圆环阵列；

所述同心介质圆环阵列是由N个同心的介质圆环结构单元(2)构成，N为正整数；所述介质圆环结构单元(2)是中心半径为r_i、宽度为w、厚度为t_i、折射率为n_d的圆环形介质结构，i表示从中心向外第i个同心介质环，第i个介质圆环结构单元的厚度t_i＝[ψ(r_i)×λ]/2π(n_d-n₀)，ψ(r_i)是远场超衍射三维空心焦斑平面聚焦器件相位空间分布，n₀为出射方介质折射率，n_d为介质材料D的折射率；

采用所述同心介质圆环阵列形成的远场超衍射三维空心焦斑平面聚焦器件半径为R_lens＝N×w，其光斑聚焦光场呈三维空心焦斑分布，分布状态为：焦斑中心光场最低，甚至接近于零；以焦斑中心强度最低点为中心，沿各方向，强度先增大，后减小为零；其焦斑中心强度最低点处，与光轴垂直的平面内，光强度分布呈空心圆环状，其内径的半高全宽小于光学衍射极限0.5λ/NA，其中λ是入射波长，NA＝n₀×sin(atan(R_lens/f))为超衍射三维空心焦斑平面聚焦器件的数值孔径，其中n₀为出射方介质折射率，sin()和atan()分别为正弦函数和反正切函数，f为聚焦器件焦距。

2.根据权利要求1所述的远场超衍射三维空心焦斑平面聚焦器件，其特征在于，通过调整介质圆环结构厚度t_i，获得不同出射光相位出射光相位为0，对应t_i＝0，即在基底上表面半径r_i处不设置介质圆环结构单元(2)；出射光相位不为0，对应即在基底上表面半径r_i处放置厚度为t_i介质圆环结构单元(2)。

3.根据权利要求1或2所述的远场超衍射三维空心焦斑平面聚焦器件，其特征在于：入射光束从基底一侧垂直入射，入射光束光轴与远场超衍射三维空心焦斑平面聚焦器件同轴；所述入射光束为柱矢量光束，即角向偏振光与径向偏振光的线性叠加态，光束波长为λ，光束偏振；所述入射柱矢量光束，可由线偏振高斯光束通过S玻片产生，通过控制线偏振高斯光束的偏振方向，可以调整柱矢量光束中角向偏振分量与径向偏振分量的比例AP/RP。

4.根据权利要求1、2或3所述的远场超衍射三维空心焦斑平面聚焦器件，其特征在于：在同心介质圆环阵列中，相邻介质圆环结构单元厚度不同，或者若干个相邻的介质圆环结构单元具有相同厚度，形成一个较宽的介质圆环结构。

5.根据权利要求1、2或3所述的远场超衍射三维空心焦斑平面聚焦器件，其特征在于，确定介质圆环厚度t_i：

(1)对于选定的介质材料D，为实现远场超衍射三维空心焦斑平面聚焦器件相位空间分布ψ(r_i)，介质圆环结构厚度由公式t_i＝[ψ(r_i)×λ]/2π(n_d-n₀)确定，其中λ是入射波长，n_d为介质材料D的折射率，n₀为出射方介质折射率；

(2)根据远场超衍射三维空心焦斑平面聚焦器件所要求的相位空间分布ψ(r_i)，确定中心半径为r_i位置处的介质圆环结构厚度t_i，由此在基底上形成对应的介质同心圆环阵列，实现远场超衍射三维空心焦斑平面聚焦器件。

6.根据权利要求1、2或3所述的远场超衍射三维空心焦斑平面聚焦器件，其特征在于，所述基底(1)是折射率为n_s，厚度为t_s的介质材料S，对入射光波长λ有较高透过率，且上下表面平行。

7.根据权利要求1、2或3所述的远场超衍射三维空心焦斑平面聚焦器件，其特征在于：所述三维空心焦斑平面聚焦器件通过增大聚焦器件数值孔径NA或放大空心焦斑旁瓣比率即外围最强旁瓣与中央峰值强度之比值，将空心焦斑内径尺寸进一步减小。