[发明专利]基于双曲超材料的柱矢量光束亚波长聚焦透镜

说明书

本发明揭示了一种基于双曲超材料的柱矢量光束亚波长聚焦透镜，该亚波长聚焦透镜为双曲超材料构成的圆柱形结构，双曲超材料为电介质与石墨烯交替排列的分层结构构成，在双曲超材料的上下表面分别有出射光栅和入射光栅构成的同心环结构。双曲超材料的半径r=130μm，电介质层厚度d_D=50 nm，电介质层为二氧化硅层。石墨烯为单层石墨烯，单层石墨烯的厚度d_G=0.335 nm，电介质与石墨烯交替排列周期数为20。本发明利用石墨烯与电介质交替排列构成双曲超材料，利用等效媒质理论，双曲超材料的材料参数可以用等效介电常数张量表示。当太赫兹波段的柱矢量光束入射进双曲超材料时，在出射端光束会聚成一个亚波长量级的焦点。

技术领域

本发明涉及一种基于双曲超材料的柱矢量光束亚波长聚焦透镜，可用于人工微结构设计和精细光场调控技术领域。

背景技术

柱矢量光束是一种偏振态在横截面呈柱对称分布的矢量光束，与传统的线偏振光、圆偏振光等标量光束不同，按照柱矢量光束的电场在空间上的分布特点可以将其分为径向偏振光、旋向偏振光和一般柱矢量光束，正是这种独特的偏振态分布特点使其在亚波长聚焦和人工微结构设计等方面具有潜在应用价值。通过人工微结构所能实现的一些独特效应，如双曲超材料所具有的双曲色散特性，可以实现对柱矢量光束空间分布的调控。

传统的双曲超材料是由具有金属特性的材料和电介质材料交替排列所组成的一种分层结构，其组成材料是由处于深度亚波长尺度的电介质和具有金属特性的材料交替排列组成。近年来，研究发现石墨烯在近红外至太赫兹波段有较好的光学响应，其表现出的特性与薄金属层在光学波段所表现出的性质类似，所以在太赫兹波段可以使用石墨烯代替金属来实现双曲超材料特性。由于双曲超材料的结构单元尺度相比入射光的波长是处于深度亚波长范围的，因此对于这种非连续媒质的光学响应可以使用等效媒质理论来进行分析，计算得到双曲超材料的等效介电常数张量，能够用来表征其光学特性。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种基于双曲超材料的柱矢量光束亚波长聚焦透镜。

本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：基于双曲超材料的柱矢量光束亚波长聚焦透镜，该亚波长聚焦透镜为双曲超材料构成的圆柱形结构，所述双曲超材料为电介质与石墨烯交替排列的分层结构构成，在双曲超材料的上下表面分别有出射光栅和入射光栅构成的同心环结构。

优选地，所述双曲超材料的半径r＝130μm，电介质层厚度d_D＝50nm，电介质层为二氧化硅层。

优选地，所述石墨烯为单层石墨烯，单层石墨烯的厚度d_G＝0.335nm，电介质与石墨烯交替排列周期数为20。

优选地，所述出射光栅和入射光栅选用的材料均为金属Cr。

优选地，所述入射光栅的光栅常数a₁＝10μm，出射光栅的光栅常数a₂＝13μm，出射光栅和入射光栅的高度h＝0.1μm，出射光栅和入射光栅狭缝的宽度b＝2μm。

优选地，当采用波长为20μm的柱矢量光束入射时，电介质的介电常数为2.2，单层石墨烯的介电常数为-698.2-7.09i。

优选地，石墨烯的电导率模型用Kubo公式来描述：

其中，e为单位电荷，ξ为电子能量，为约化普朗克常数，表示费米狄拉克分布，ω为角频率，K_B为玻尔兹曼常数，T为温度，μ_c为化学势，τ为弛豫时间，i表示虚部单位；当波长为20μm的柱矢量光束入射时，取μ_c＝0.2eV，τ＝1ps，T＝300K，此时ε_D＝2.2。