[实用新型]一种可实现红外波段亚波长聚焦的薄膜型超分辨率透镜

说明书

本实用新型揭示了一种可实现红外波段亚波长聚焦的薄膜型超分辨率透镜，该透镜包括石墨烯双曲超材料结构以及双曲超材料顶部的金属同心环和底部的金属同心环结构，所述石墨烯双曲超材料为单层石墨烯和SiO₂交替排列所构成的堆叠结构，入射光束沿透镜同心环中心轴传播时，实现亚波长聚焦。所述单层石墨烯的厚度为0.335 nm，SiO₂的厚度为50nm。本实用新型结构简单易设计，制备易实现，本器件达到了聚焦平面波的效果，并且尺度和损耗均较小。在亚波长光子学领域、集成光学领域等相关领域具有一定的应用价值。

技术领域

本实用新型涉及一种可实现红外波段亚波长聚焦的薄膜型超分辨率透镜，属于亚波长光子学领域及集成光学领域，特别是基于人工微结构和亚波长聚焦的器件。

背景技术

透镜——作为最基本的光学工具，在光学显微镜、高密度光存储、光学光刻等领域发挥着重要的作用。然而，随着技术的发展，众多领域在朝着高质量、高集成、高分辨率等方向发展的同时也对光学元件的聚焦光斑提出了更高的要求。传统的聚焦光斑由于受到衍射极限的限制一般只能达到波长量级。为了突破这种极限，人们提出了许多改进的方法，如：固体或液体浸没透镜技术，亚波长金属光栅，亚波长光学谐振腔，超级透镜板等等。这些方法虽然能够在光斑大小、聚焦深度等方面有一定的提高，但是仍然存在高折射率自然材料难找，聚焦效率比较低等问题。

基于石墨烯-电介质多层膜结构的双曲超材料，其结构单元的尺度处于深度亚波长，是一种具有双曲空间频率响应、高度各向异性的均匀电磁介质。这种材料提供了一种有效操纵光传播的方式，产生了许多新颖的现象，如负折射、超高分辨率成像、增强光子态密度、慢光等，因此双曲超材料也成为近年来的研究热点。在现阶段研究的等离激元透镜结构中，普遍存在尺度较大、损耗高的问题。而处于深度亚波长尺度的石墨烯在特定波段可以表现出金属特性，且具有较低的损耗。

因此本专利提出一种可实现红外波段亚波长聚焦的薄膜型超分辨率透镜。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种可实现红外波段亚波长聚焦的薄膜型超分辨率透镜。

本实用新型的目的将通过以下技术方案得以实现：一种可实现红外波段亚波长聚焦的薄膜型超分辨率透镜，该透镜包括石墨烯双曲超材料结构以及双曲超材料顶部的金属同心环和底部的金属同心环结构，所述石墨烯双曲超材料为单层石墨烯和SiO₂交替排列所构成的堆叠结构，入射光束沿透镜同心环中心轴传播时，实现亚波长聚焦。

优选地，所述单层石墨烯的厚度为0.335nm，SiO₂的厚度为50nm。

优选地，当工作波长λ为6500nm时，单层石墨烯和SiO₂构成石墨烯双曲超材料的一个周期单元，总周期数N为30。

优选地，所述石墨烯双曲超材料顶部的金属环结构和底部的金属环结构均由Cr材料同心环构成，顶部的金属环结构和底部的金属环结构的厚度均为100nm。

优选地，顶部金属Cr同心环宽度为w_A，顶部金属Cr同心环宽度w_A与环之间空气间隔d_A均为2500nm，同心环间间隔为Λ_A＝5000nm，同心环与空气间隔交替排列，共13环。

优选地，底部金属Cr同心环宽度为w_B，底部金属Cr同心环宽度w_B与环之间空气间隔d_B均为1625nm，同心环间间隔为Λ_A＝3250nm，同心环与空气间隔交替排列，共20环。

优选地，该透镜为圆柱薄膜结构，该透镜的半径为65μm，厚度为1.7μm。