[发明专利]一种集成于光纤端面的亚波长聚焦透镜

说明书

技术领域

本发明涉及一种亚波长聚焦透镜，尤其涉及一种在光纤头上实现高透过率亚波长聚焦的透镜。

背景技术

亚波长聚焦一直是光学研究人员和相关工业界工程师最为关注的方向之一，也是近几十年来研究的热点。目前随着科学技术的发展，对光学空间分辨率提出了越来越高的要求。

光斑尺寸小于波长的焦点光束在三维光学数据存储，光刻技术，材料加工，纳米微粒运动操作和控制，生物医学成像，拉曼光谱技术，二次谐波激发，近场扫描和激光共焦显微技术中都是至关重要的。举例来说，在光学数据存储中，小光斑可以提高存储密度和存储容量；在纳米操作和控制中，高度聚焦光斑可以增加梯度力或旋转力矩；在生物医学成像中，高度聚焦光斑可以减少背景成像，改善清晰度；在材料加工中，高度聚焦光斑增加了光能利用率，加工速度和加工精度。

然而在光斑尺寸小于聚波长时，标量衍射理论无法得到焦点附近准确的广场分布，必须使用矢量衍射理论，为此Richards和Wolf系统地研究了光束的聚焦为题，得到了矢量衍射积分公式，建立了聚焦问题的基本理论框架。在此基础上，科学家研究了不同横模激光束如平面波、贝塞尔光束等的聚焦。

贝塞尔光束在无界的自由空问中传播时，与传播方向垂直的任一横向平面上的强度分布总是保持相同，并且能量具有高度局域化；在传播过程中不会遭受到衍射扩展，这类波束被称为“无衍射波束”。

根据平面波的角谱理论，任何空间中传播的单色光波都可以看成是一系列单色平面波的叠加。基于该理论，MIT的一个研究小组成功地直接利用非聚焦光波波前的相干叠加来实现亚波长聚焦。但其研究只是在实验上验证了利用角谱合成理论可以实现亚波长聚焦的贝塞尔光束，而并未提供一种高效率耦合，具有足够工作距离和聚集深度的实用性的器件结构。

此后的金属纳米圆环，以及金属孔阵列等隙缝型透射合成法有光束功率损耗大，工作距离短的缺陷。

传统的锥透镜（微棱锥 microaxicon）可以将高斯光束转化成近贝塞尔光束，这种透镜用于亚波长聚焦的问题在于：

1、只有在紧靠透镜出射面约2λ的范围内有较好的聚焦，这使其应用受到了很大的限制。

2、聚集后的光束受到锥透镜的锥表面缺陷的影响而偏离理想的亚波长聚集能力，通常只能接近亚波长而没有能够完全进入亚波长区域。

而光纤对激光具有传输方便，传输效率高，模式耦合稳定的优点，而其出射端高质量聚焦光束的获得不仅可使多种亚波长应用提供巨大的导光位置的便利, 而且不必受空间光束变化由于温度或机械装置变化而偏离理想光轴中心,导致聚集质量下降的困扰。由此看出，设计一种集成于光纤端面的新型亚波长聚焦透镜具有重大应用价值。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种集成于光纤端面的亚波长聚焦透镜，该透镜聚焦光斑小，与光纤集成一体，且通光效率高。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种集成于光纤端面的亚波长聚焦透镜，该透镜基本结构为与光纤对接的正立圆台，圆台上端面为空心的倒立圆锥；其中，在入射波长区间为400～1600nm，透镜折射率与耦合光纤折射率相接近，范围为1.4~1.7的情况下，透镜的入射口径D变化范围在8~40um，高度H变化范围在50~400um，透镜的外锥角度Angle1变化范围在20~60度，透镜的内锥角度Angle2变化范围在10~40度。

本发明的有益效果是：

（1）本发明的亚波长聚焦透镜结构简单，可行性高，聚焦光束最细处FWHM可达到0.3λ。

（2）本发明与光纤集成，使用方便，且通光效率高。

附图说明

图1为本发明集成于光纤端面的亚波长聚焦透镜的几何结构示意图；

图2为本发明集成于光纤端面的亚波长聚焦透镜的聚焦光束半高宽度轮廓图（沿Z传播，输出端面在73um处，X方向经过归一化）；

    图3为本发明集成于光纤端面的亚波长聚焦透镜在输入波长为1550nm，透镜折射率为1.45，透镜高度为70um，外锥角度为66度，内锥角度为19度的情况下，聚焦光束在出射端面后12um处的FWHM及聚焦光束能量（最大光强/入射光强）随透镜出射口径D的变化曲线；