[发明专利]一种实现双焦点聚集的微透镜

说明书

本发明公开了一种实现双焦点聚集的微透镜，其特征在于：包括采用均一介质材料制成的柱状透镜，透镜的入射面为平面，透镜的出射面为具有阶梯状光栅结构的凹面，所述阶梯状光栅自入射面向出射面方向设置了包括对应于焦距为f₁的第一阶梯光栅区和对应于焦距为f₂的第二阶梯光栅区，其中f₁＜f₂；所述第一阶梯光栅区所对应的焦点低于所述第二阶梯光栅区所对应的焦点，且所述第一阶梯光栅区与所述第二阶梯光栅区的分界面在轴向方向上相交于一点。本发明所设计的平凹透镜可以同时实现双焦点聚焦，并有效减小焦斑的弥散程度，使聚焦更加均匀。

技术领域

本发明属于双焦点微透镜领域，具体涉及一种实现双焦点聚集的微透镜。

背景技术

透镜的聚焦在光学成像和光刻等领域具有广阔的应用前景。在光栅周期小于工作波长时，可以获得等效的负折射率，依据该原理设计出的亚波长光束负折射透镜，可对径向偏振光、旋向偏振光以及广义柱矢量光束形成优越的聚焦效果，但双焦点聚焦透镜聚焦的焦点弥散程度较大且能量分布不均匀，并不能满足工业生产的要求。

通过研究发现对于具有双焦点透镜的结构中，在焦距所对应的结构分界处，存在一个较长的平坦阶梯，而经长阶梯出射的光线并不会发生折射，会对焦场质量产生影响。

发明内容

为利用同一个透镜结构实现双焦点聚焦，并减小双焦点焦斑的弥散程度，使其聚焦更加紧凑，能量分布更加均匀，本发明提出一种实现双焦点聚集的平凹微透镜。

实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种实现双焦点聚集的微透镜，包括采用均一介质材料制成的柱状透镜，透镜的入射面为平面，透镜的出射面为具有阶梯状光栅结构的凹面，所述阶梯状光栅自入射面向出射面方向设置了包括对应于焦距为f₁的第一阶梯光栅区和对应于焦距为f₂的第二阶梯光栅区，其中f₁＜f₂；所述第一阶梯光栅区所对应的焦点低于所述第二阶梯光栅区所对应的焦点，且所述第一阶梯光栅区与所述第二阶梯光栅区的分界面在轴向方向上相交于一点；还包括去除所述第一阶梯光栅区入射面端的3个阶梯，进而在底部形成中空圆孔。

作为本发明的进一步改进，所述第一阶梯光栅区包括M个阶梯，所述第二阶梯区域包括N个阶梯；所述第一阶梯光栅区的阶梯高度与所述第二阶梯区域的阶梯高度相同；

所述的阶梯状光栅结构的竖直边顶点的坐标为(r_i,z_i)，r_i为水平坐标变量，z_i为纵向坐标变量，i为阶梯序号，

其中：实现f₁焦距的所述第一阶梯光栅区的阶梯坐标满足如下关系：

z_i＝i·d_⊥；

式中i∈[1,M]；M∈[10,18]；

所述第二阶梯光栅区的阶梯坐标满足如下关系：

z_i＝i·d_⊥；

式中i∈[M+1,M+N]；N∈[10,18]

作为本发明的进一步改进，所述阶梯状光栅结构中的阶梯的竖直高度满足如下关系：

d_⊥＝λ₀/(n-n_eff)

式中：d_⊥为阶梯的竖直高度，λ₀为工作波长，n为介质材料折射率，n_eff为等效负折射率。